BR112016001777B1 - REACTOR SYSTEM FOR THE FERMENTATION OF A GASEOUS SUBSTRATE, AND METHODS TO IMPROVE THE MASS TRANSFER OF A GASEOUS SUBSTRATE AND TO REDUCE FOAM IN THE UPPER SPACE OF A FERMENTATION BOWL - Google Patents

REACTOR SYSTEM FOR THE FERMENTATION OF A GASEOUS SUBSTRATE, AND METHODS TO IMPROVE THE MASS TRANSFER OF A GASEOUS SUBSTRATE AND TO REDUCE FOAM IN THE UPPER SPACE OF A FERMENTATION BOWL Download PDF

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Abstract

sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, e, métodos para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso e para reduzir a espuma no espaço superior de um recipiente de fermentação. um sistema de reator é fornecido para melhor fermentação de um substrato gasoso através da introdução de um ciclo secundário para um reator de ciclo de circulação forçada. o reator compreende um ciclo primário através do qual o caldo de fermentação compreendendo um substrato gasoso é circulado através de um segmento de subida e uma seção de descida por uma bomba de ciclo. à jusante da bomba de ciclo uma porção do caldo de fermentação é retirada da seção de descida e é direcionada para o topo do reator através de um ciclo secundário. ainda é fornecido um método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação em um recipiente de fermentação compreendendo um ciclo secundário. ainda é fornecido um método para reduzir a espuma no espaço superior do recipiente de fermentação compreendendo um ciclo secundário.reactor system for the fermentation of a gaseous substrate, and, methods for improving the mass transfer of a gaseous substrate and for reducing foam in the head space of a fermentation vessel. a reactor system is provided for better fermentation of a gaseous substrate by introducing a secondary loop to a forced circulation loop reactor. the reactor comprises a primary cycle through which fermentation broth comprising a gaseous substrate is circulated through a riser segment and a falloff section by a cycle pump. downstream of the cycle pump a portion of the fermentation broth is withdrawn from the descending section and is directed to the top of the reactor through a secondary cycle. further provided is a method for improving mass transfer from a gaseous substrate to a fermentation broth in a fermentation vessel comprising a secondary cycle. further provided is a method for reducing foam in the headspace of the fermentation vessel comprising a secondary cycle.

Description

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF THE INVENTION

[001] A invenção refere-se aos sistemas e métodos para melhorar um reator de ciclo externo de circulação forçada. Em particular, a invenção introduz um ciclo secundário para um reator de ciclo externo de circulação forçada que regula a retenção do gás no reator e permite melhor controle de espuma.[001] The invention relates to systems and methods for improving a forced circulation external cycle reactor. In particular, the invention introduces a secondary loop for an external forced circulation loop reactor that regulates gas retention in the reactor and allows for better foam control.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOFUNDAMENTALS OF THE INVENTION

[002] Combustíveis e substâncias químicas produzidas pela síntese de gás (singas) ou off-gás industrial contendo CO representa uma alternativa principal para combustível fóssil e substâncias químicas derivadas do mesmo. A conversão catalítica química destes gases em combustíveis ou substâncias químicas é cara ou comercialmente não atrativa. Ao invés, a conversão biológica destes gases em combustíveis e substâncias químicas (conhecida como fermentação de gás), tem várias vantagens sobre os processos catalíticos, incluindo maior especificidade, maiores rendimentos, menores custos de energia e maior resistência ao envenenamento.[002] Fuels and chemical substances produced by the synthesis of gas (singas) or industrial off-gas containing CO represents a main alternative to fossil fuel and chemical substances derived from it. Chemical catalytic conversion of these gases to fuels or chemicals is expensive or commercially unattractive. Instead, the biological conversion of these gases into fuels and chemicals (known as gas fermentation), has several advantages over catalytic processes, including greater specificity, higher yields, lower energy costs and greater resistance to poisoning.

[003] A eficiência da fermentação de gás é conhecida por ser principalmente limitada por uma baixa taxa de transferência de massa de gás líquido devido à baixa solubilidade dos substratos gasosos (por exemplo, CO e H2) em líquidos. A eficiência da transferência de massa, ou taxa de transferência de massa volumétrica, é fornecida como segue:

Figure img0001
[003] The efficiency of gas fermentation is known to be primarily limited by a low mass transfer rate of liquid gas due to the low solubility of gaseous substrates (eg CO and H2) in liquids. Mass transfer efficiency, or volumetric mass transfer rate, is given as follows:
Figure img0001

[004] Em que é a taxa em que o substrato gasoso é transferido para a fase líquida; kLa é o coeficiente de transferência de massa volumétrico, consiste em coeficiente de transferência de massa lateral líquida kL e a área de superfície de transferência de massa específica, a. C* é a concentração de saturação do gás no líquido (isto é, a solubilidade) que é proporcional à pressão parcial do substrato gasoso e CL é a concentração de gás real no líquido, a diferença entre os dois, isto é, (C* - CL) é a força de direcionamento de transferência de massa. Sob condições limitadas de transferência de massa pura, CLÃ20"VR é o volume úmido do reator e é a soma do volume de gás e o volume líquido.[004] Where is the rate at which the gaseous substrate is transferred to the liquid phase; kLa is the volumetric mass transfer coefficient, it consists of the net lateral mass transfer coefficient kL and the specific mass transfer surface area, a. C* is the saturation concentration of the gas in the liquid (ie the solubility) which is proportional to the partial pressure of the gaseous substrate and CL is the actual gas concentration in the liquid, the difference between the two, ie (C* - CL) is the mass transfer driving force. Under limited conditions of pure mass transfer, CLÃ20"VR is the wet volume of the reactor and is the sum of the gas volume and the net volume.

[005] Portanto, de modo a melhorar a eficiência de transferência de massa, é necessário aumentar o kLa ou a força de direcionamento. A força de direcionamento pode ser melhorada pelo uso de alta pressão; entretanto, tais métodos são de alto custo conforme a compressão do gás é requerida. Geralmente é mais preferencial aumentar o kL e/ou a. Enquanto kL é uma propriedade intrínseca do líquido e do gás, significando que é difícil para mudar, a tem uma relação simples com a retenção de gás, iG, e o raio médio de bolha, rb, ambos dos quais podem ser facilmente manipulados. A relação é como segue:

Figure img0002
[005] Therefore, in order to improve the mass transfer efficiency, it is necessary to increase the kLa or the driving force. The driving force can be improved by using high pressure; however, such methods are costly as gas compression is required. It is generally more preferred to increase the kL and/or a. While kL is an intrinsic property of liquid and gas, meaning that it is difficult to change, a has a simple relationship to gas retention, iG, and the mean bubble radius, rb, both of which can be easily manipulated. The relationship is as follows:
Figure img0002

[006] A equação acima dita que a área de transferência de massa específica pode ser aumentada por um aumento na retenção de gás, iG, ou diminuição no tamanho de bolha, rb, ou combinação de ambos. Infelizmente, a maioria de tais métodos tende a gerar uma grande quantidade de espuma, que pode bloquear oleodutos à jusante do biorreator. Portanto, quando medidas são tomadas para aumentar a área de superfície de transferência de massa, deve ser dada uma atenção especial ao controle de espuma.[006] The above equation dictates that the specific mass transfer area can be increased by an increase in gas retention, iG, or decrease in bubble size, rb, or a combination of both. Unfortunately, most such methods tend to generate a large amount of foam, which can block pipelines downstream of the bioreactor. Therefore, when measures are taken to increase the mass transfer surface area, special attention must be paid to foam control.

[007] Uma alta taxa de transferência de massa é geralmente desejável para a fermentação a gás. Entretanto, o processo pode sofrer pela inibição do substrato se a taxa de transferência de massa é maior que a taxa de reação máxima que os micróbios podem fornecer. Por exemplo, uma alta concentração de CO dissolvida resulta em um lento crescimento dos micróbios e lenta captação de H2, e se tais condições duram por um período de tempo prolongado, a cultura pode lentamente morrer (Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations, J.L. Vega, E.C., Clausen and J.L. Gaddy, 1990, Resources, Conservation and Recycling, Vol 3, Pages 149-160; Effect of CO partial pressure on cell-recycled continuous CO fermentation by Eubacterium limosum KIST612, I.S. Chang, B.H. Kim, R.W. Lovitt, J.S. Bang, 2001, Process Biochemistry, Vol 37, Page 411-421). Tais eqpfk>õgu fg “uwrgtcdcuVgekogpVq” rqfgo qeqttgt inqdcnogpVg go wo tgcVqt de pequena escala, bem misturado, mas pode também ocorrer em um reator de grande escala em que há alta concentração de CO dissolvido local, tipicamente no fundo em que o gás é introduzido e a pressão parcial de CO é alta.[007] A high mass transfer rate is generally desirable for gas fermentation. However, the process can suffer from substrate inhibition if the mass transfer rate is greater than the maximum reaction rate the microbes can provide. For example, a high concentration of dissolved CO results in slow growth of microbes and slow uptake of H2, and if such conditions last for an extended period of time, the culture may slowly die out (Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations, JL Vega, EC, Clausen and JL Gaddy, 1990, Resources, Conservation and Recycling, Vol 3, Pages 149-160; Effect of CO partial pressure on cell-recycled continuous CO fermentation by Eubacterium limosum KIST612, IS Chang, BH Kim, RW Lovitt , JS Bang, 2001, Process Biochemistry, Vol 37, Page 411-421). Such eqpfk>õgu fg "uwrgtcdcuVgekogpVq" rqfgo qeqttgt inqdcnogpVg go wo tgcVqt small scale, well mixed, but can also occur in a large scale reactor where there is a high concentration of local dissolved CO, typically at the bottom where the gas is introduced and the partial pressure of CO is high.

[008] Portanto, um reator de escala comercial para fermentação de gás necessita fornecer uma alta taxa de transferência de massa gás para líquido, e também necessita ser flexível de modo que a taxa de transferência de massa possa ser regulada quando necessário. Controle de espuma eficaz também é um requisito.[008] Therefore, a commercial scale reactor for gas fermentation needs to provide a high gas-to-liquid mass transfer rate, and it also needs to be flexible so that the mass transfer rate can be regulated when necessary. Effective foam control is also a requirement.

[009] Em escala de bancada, a fermentação de gás é tipicamente conduzida em reatores de tanque de agitação contínua (CSTR). Entretanto, estes são inapropriados para a aplicação em escala comercial devido ao alto consumo de energia e outras questões. Ao invés, colunas de bolha com ou sem ciclos internos ou externos podem ser utilizadas para fermentação de gás em larga escala. Reatores de ciclo externo de circulação forçada são um tipo de reator de coluna de bolha em que o líquido é forçado a circular entre uma coluna principal (de subida) e um ciclo externo (de descida) por uma bomba, aqui referida como bomba de ciclo.[009] At bench scale, gas fermentation is typically conducted in continuous stirred tank reactors (CSTR). However, these are unsuitable for commercial scale application due to high energy consumption and other issues. Instead, bubble columns with or without internal or external cycles can be used for large-scale gas fermentation. Forced circulation external loop reactors are a type of bubble column reactor in which the liquid is forced to circulate between a main (upward) column and an external (downward) loop by a pump, herein referred to as a cycle pump. .

[0010] Em configurações conhecidas de reator de ciclo de circulação forçada, a velocidade da bomba de ciclo tem dois efeitos principais na hidrodinâmica e transferência de massa do sistema: (a) um aumento na velocidade da bomba de ciclo aumenta o arraste de gás da subida para a descida, que tende a aumentar a subida e reter a descida e, portanto, melhora a transferência de massa; (b) um aumento na velocidade de bomba de ciclo aumenta a velocidade do líquido na subida, que tende a desgastar as bolhas de gás na subida rápida e diminui a retenção de gás e reduz o tempo de residência do gás. Inversamente, se a velocidade da bomba de ciclo é reduzida, as bolhas de gás na subida podem ficar por um longo período de tempo, mas o arraste de gás dentro da descida será substancialmente menor, que poderia reduzir a taxa de reação na descida e o desempenho geral do reator. Em adição, como o gás introduzido no fundo da subida tem um maior conteúdo de CO, uma baixa velocidade de bomba de ciclo em um reator profundo agrava a inibição do substrato.[0010] In known forced circulation cycle reactor configurations, the speed of the cycle pump has two main effects on the hydrodynamics and mass transfer of the system: (a) an increase in the speed of the cycle pump increases the gas carryover of the climb to descent, which tends to increase the climb and retain the descent and therefore improves mass transfer; (b) an increase in cycle pump speed increases liquid velocity on ascent, which tends to erode gas bubbles on rapid ascent and decreases gas retention and reduces gas residence time. Conversely, if the pump cycle speed is reduced, the rising gas bubbles can stay for a long period of time, but the gas drag within the descent will be substantially less, which could reduce the descent reaction rate and the overall reactor performance. In addition, as the gas introduced at the bottom of the ascent has a higher CO content, a low cycle pump speed in a deep reactor aggravates substrate inhibition.

[0011] Portanto, uma bomba de ciclo é ineficaz em termos de regular a transferência de massa devido a seus efeitos competitivos no arraste de gás e velocidade do líquido na subida. É um objeto da presente invenção fornecer meio de desacoplar os efeitos de competição da bomba de ciclo e fornecer regulação de transferência de massa mais eficaz aqui, assim como melhor controle de espuma e menor consumo de energia geral. Além disso, a presente invenção supera desvantagens conhecidas na técnica e fornece ao público novos métodos para a produção ótima de uma variedade de produtos úteis. Mesmo pequenas melhoras para um processo de fermentação de gás ou sistema para produção de um ou mais produtos podem ter um impacto significativo na eficiência e, mais particularmente, a viabilidade comercial de tal processo ou sistema.[0011] Therefore, a cycle pump is ineffective in terms of regulating mass transfer due to its competitive effects on gas drag and liquid velocity on ascent. It is an object of the present invention to provide a means to decouple the racing effects of the cycle pump and provide more effective mass transfer regulation here, as well as better foam control and lower overall energy consumption. Furthermore, the present invention overcomes disadvantages known in the art and provides the public with new methods for optimally producing a variety of useful products. Even small improvements to a gas fermentation process or system for producing one or more products can have a significant impact on the efficiency and, more particularly, the commercial viability of such a process or system.

SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

[0012] Em um primeiro aspecto, é fornecido um sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, o sistema compreendendo:(a) Um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que um caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluídos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluídos concorrentemente para baixo, as referidas seções de subida e descida conectadas por seções substancialmente horizontais e configuradas de modo que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são circulados, utilizando meios de bombeamento, em um ciclo primário de um ponto próximo do fundo da seção de descida, através da subida para um ponto de entrada no topo da seção de descida;(b) Um ciclo secundário compreendendo uma saída localizada em um ponto próximo do fundo da seção de subida, meios de tubulação conectando a saída do fundo da seção de subida para uma entrada no topo da subida e meios de bombeamento localizados entre o ponto de saída e o ponto de entrada de modo que o caldo de fermentação e o substrato gasoso sejam circulados do fundo da descida para o topo da seção de subida;(c) Pelo menos uma entrada de gás, configurada para dirigir o substrato gasoso dentro da seção de subida; e(d) Pelo menos uma saída de gás, configurada para deixar o gás para sair da seção de subida.[0012] In a first aspect, there is provided a reactor system for the fermentation of a gaseous substrate, the system comprising: (a) A fermentation vessel comprising a riser section in which a liquid fermentation broth and the gaseous substrate are fluids concurrently upwards and a descending section in which the liquid fermentation broth and gaseous substrate are concurrently flowing downwards, said ascending and descending sections connected by substantially horizontal sections and configured so that the liquid fermentation broth and the gaseous substrate are circulated, using pumping means, in a primary cycle from a point near the bottom of the descending section, through the ascent to an entry point at the top of the descending section; at a point near the bottom of the ascent section, piping means connecting the outlet from the bottom of the ascent section to an inlet at the top of the ascent and means for pumping located between the exit point and the entry point so that the fermentation broth and gaseous substrate are circulated from the bottom of the descent to the top of the riser section; (c) At least one gas inlet, configured to direct the gaseous substrate within the riser section; and (d) At least one gas outlet, configured to let gas exit the ascent section.

[0013] Em modalidades particulares do primeiro aspecto, o biorreator é configurado para a fermentação de um substrato gasoso para produzir produtos compreendendo pelo menos um ácido ou álcool ou mistura dos mesmos. Em modalidades particulares, o substrato gasoso compreende CO e opcionalmente H2. Em ainda modalidades alternativas, o substrato gasoso compreende CO2 e H2.[0013] In particular embodiments of the first aspect, the bioreactor is configured for the fermentation of a gaseous substrate to produce products comprising at least one acid or alcohol or mixture thereof. In particular embodiments, the gaseous substrate comprises CO and optionally H2. In still alternative embodiments, the gaseous substrate comprises CO2 and H2.

[0014] Em modalidades particulares do primeiro aspecto, o reator compreende um ciclo primário, que é compreendido de uma seção de subida e uma seção de descida, e um ciclo secundário. Em modalidades particulares, o ciclo secundário remove o caldo de fermentação da seção de descida do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o ciclo secundário remove o caldo de fermentação da descida do bombeamento de ciclo primário. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação é retirado à jusante da bomba do ciclo primário por meio de uma bomba secundária.[0014] In particular embodiments of the first aspect, the reactor comprises a primary cycle, which is comprised of a rise section and a fall section, and a secondary cycle. In particular embodiments, the secondary cycle removes fermentation broth from the descending section of the fermentation vessel. In particular embodiments, the secondary cycle removes fermentation broth from the descent of the primary cycle pump. In particular embodiments, fermentation broth is withdrawn downstream of the primary cycle pump by means of a secondary pump.

[0015] Em modalidades alternativas, a seção de descida do recipiente de fermentação compreende uma válvula de porta localizada à montante da saída do ciclo secundário. Nesta modalidade, o caldo de fermentação pode ser retirado da seção de descida para o ciclo secundário pela restrição do fluxo do ciclo primário utilizando uma válvula de porta. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão à jusante da bomba de ciclo, mas à montante da válvula de porta, pode ser regulada para fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada. Em certas modalidades, a pressão na descida é monitorada por um medidor de pressão. Esta configuração elimina o requisito de uma bomba de ciclo secundário.[0015] In alternative embodiments, the fermentation vessel descending section comprises a gate valve located upstream of the secondary loop outlet. In this modality, fermentation broth can be withdrawn from the descent section to the secondary cycle by restricting the flow of the primary cycle using a gate valve. By adjusting the gate valve opening, the pressure downstream of the cycle pump but upstream of the gate valve can be regulated to provide a desired secondary cycle flow rate. In certain modalities, the descent pressure is monitored by a pressure gauge. This configuration eliminates the requirement for a secondary cycle pump.

[0016] Em modalidades particulares, a retirada do caldo de fermentação da seção de descida é circulada através do ciclo secundário no topo do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação e o substrato gasoso são circulados através de um ciclo secundário da menor porção da seção de descida para o topo da seção de subida. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação sai do ciclo secundário de pelo menos um bocal no topo do recipiente de fermentação. Em uso, o pelo menos um bocal pulveriza o caldo de fermentação circulado dentro no espaço superior do recipiente de fermentação. Em modalidades particulares, o caldo de fermentação circulado é pulverizado dentro do espaço superior por múltiplos bocais. Em modalidades particulares, o pelo menos um bocal é uma cabeça de chuveiro. Em modalidades particulares, a velocidade do jato líquido ou jatos saindo do bocal ou bocais pode variar de cerca de 0,5 m/s ou para cerca de 5 m/s. Em uso, o jato líquido ou jatos cobrem pelo menos uma porção da área de seção transversal do espaço superior. Sob condições típicas de fermentação, uma camada de espuma existe no espaço superior do recipiente de fermentação. Em certas modalidades, o caldo de fermentação circulado é pulverizado dentro do espaço superior de modo a quebrar bolhas grandes na espuma. Este processo resulta em bolhas menores que são mais eficientemente arrastadas para a seção de descida, que aumenta a retenção do gás na seção de descida.[0016] In particular embodiments, the removal of fermentation broth from the descent section is circulated through the secondary cycle at the top of the fermentation vessel. In particular embodiments, the fermentation broth and gaseous substrate are circulated through a secondary cycle from the smallest portion of the descending section to the top of the rising section. In particular embodiments, fermentation broth exits the secondary cycle from at least one nozzle at the top of the fermentation vessel. In use, the at least one nozzle sprays the fermentation broth circulated into the headspace of the fermentation vessel. In particular embodiments, the circulated fermentation broth is sprayed into the headspace by multiple nozzles. In particular embodiments, the at least one nozzle is a shower head. In particular embodiments, the velocity of the liquid jet or jets exiting the nozzle or nozzles can vary from about 0.5 m/s or to about 5 m/s. In use, the liquid jet or jets cover at least a portion of the cross-sectional area of the headspace. Under typical fermentation conditions, a layer of foam exists in the head space of the fermentation vessel. In certain embodiments, the circulated fermentation broth is sprayed into the headspace in order to break large bubbles in the foam. This process results in smaller bubbles that are more efficiently drawn into the descending section, which increases gas retention in the descending section.

[0017] Em uma modalidade particular, o ciclo secundário é integrado com um sistema de reciclo celular. Nesta modalidade, a força de direção para o ciclo secundário é derivada de uma bomba de reciclo de célula. Em uma modalidade particular, o caldo de fermentação é retirado do ciclo secundário à jusante do modulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por pelo menos um controle de válvula à montante do modulo de reciclo celular.[0017] In a particular modality, the secondary cycle is integrated with a cell recycling system. In this mode, the driving force for the secondary cycle is derived from a cell recycle pump. In a particular embodiment, the fermentation broth is taken from the secondary cycle downstream of the cell recycle module. In particular embodiments, the secondary cycle flow rate and pressure of the cell recycling system are regulated by at least one valve control upstream of the cell recycling module.

[0018] Em um segundo aspecto da invenção, é fornecido um método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação em um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que um caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente na descida, o método compreendendo:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação;(c) circular o caldo de fermentação e o substrato gasoso concorrentemente para cima através da seção de subida e concorrentemente para baixa através da seção de descida do recipiente de fermentação; e(d) remover pelo menos uma porção do caldo de fermentação do fundo da seção de descida e circular para o topo da seção de subida através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação entra no topo da seção de subida através de pelo menos um bocal.[0018] In a second aspect of the invention, a method is provided for improving mass transfer from a gaseous substrate to a fermentation broth in a fermentation vessel comprising a riser section in which a liquid fermentation broth and the gaseous substrate are fluid concurrently upwards and a run-down section wherein the liquid fermentation broth and the gaseous substrate are fluid concurrently on run-down, the method comprising: (a) providing a gaseous substrate to the fermentation vessel comprising a liquid nutrient medium and a or more microorganisms; (b) ferment the gaseous substrate to produce a fermentation broth; (c) circulate the fermentation broth and the gaseous substrate concurrently up through the riser section and concurrently down through the falloff section of the fermentation vessel; and (d) removing at least a portion of the fermentation broth from the bottom of the riser section and circulating to the top of the riser section through a secondary cycle, in which the fermentation broth enters the top of the riser section through hair. minus one mouthpiece.

[0019] Em um terceiro aspecto da invenção, é fornecido um método para reduzir a espuma no espaço superior do recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida em que o caldo de fermentação líquido e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida em que o caldo de fermentação liquida e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método compreendendo:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação e espuma presente no espaço superior do recipiente de fermentação;(c) remover o caldo de fermentação da seção de descida do recipiente de fermentação; e(d) circular o caldo de fermentação para o topo da seção de subida através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação entra no espaço superior através de pelo menos um bocal;em que o caldo de fermentação entrando no espaço superior reduz a espuma presente dentro do recipiente de fermentação.[0019] In a third aspect of the invention, a method for reducing foam in the headspace of the fermentation vessel is provided comprising a riser section in which the liquid fermentation broth and the gaseous substrate are concurrently flowing upward and a section of in which the liquid fermentation broth and the gaseous substrate are flowing down concurrently, the method comprising: (a) providing a gaseous substrate to the fermentation vessel comprising a liquid nutrient medium and one or more microorganisms; (b) fermenting the gaseous substrate to produce a fermentation broth and foam present in the headspace of the fermentation vessel; (c) removing the fermentation broth from the descending section of the fermentation vessel; and (d) circulating the fermentation broth to the top of the riser section through a secondary cycle, wherein the fermentation broth enters the headspace through at least one nozzle; wherein the fermentation broth entering the headspace reduces the foam present inside the fermentation vessel.

[0020] Em um quarto aspecto, é fornecido um método de produção de produtos por fermentação de um substrato gasoso, o método compreendendo:(a) fornecer o substrato gasoso para um reator compreendendo pelo menos uma seção de subida e uma seção de descida, o reator contendo um meio nutriente líquido e uma cultura de um ou mais micro-organismos, para fornecer um caldo de fermentação;(b) circular o caldo de fermentação e o substrato gasoso concorrentemente para cima através da seção de subida e então para baixo através da seção de descida;(c) remover pelo menos uma porção do caldo de fermentação da seção de descida e passá-lo para o topo da seção de subida; e(d) fermentar anaerobicamente a cultura no reator para produzir um ou mais produtos a partir do referido substrato.[0020] In a fourth aspect, a method of producing products by fermenting a gaseous substrate is provided, the method comprising: (a) providing the gaseous substrate to a reactor comprising at least a riser section and a falloff section, the reactor containing a liquid nutrient medium and a culture of one or more microorganisms to provide a fermentation broth; (b) circulate the fermentation broth and gaseous substrate concurrently up through the riser section and then down through from the descent section; (c) remove at least a portion of the fermentation broth from the descent section and pass it to the top of the climb section; and (d) anaerobically fermenting the culture in the reactor to produce one or more products from said substrate.

[0021] Em modalidades particulares de segundo, terceiro e quarto aspectos, o reator é configurado como descrito no primeiro aspecto. Em modalidades particulares, o método permite o aumento da transferência de massa do gás para a fase líquida em um processo de fermentação de gás. Em modalidades particulares, a adição de um ciclo secundário a um reator de ciclo circulado substancialmente aumenta da transferência de massa.[0021] In particular embodiments of the second, third and fourth aspects, the reactor is configured as described in the first aspect. In particular embodiments, the method allows for increased mass transfer from gas to the liquid phase in a gas fermentation process. In particular embodiments, the addition of a secondary loop to a looped loop reactor substantially increases mass transfer.

[0022] Em modalidades particulares, o caldo de fermentação e o substrato gasoso são ciclados através da seção de subida e uma seção de descida de um reator de ciclo circulado. Em modalidades particulares, a corrente de gás entra no topo da seção de subida do reator. Em modalidades alternativas, o gás entra em múltiplos sítios através da seção de subida do reator. Em modalidades alternativas, o gás entra em múltiplos sítios através da seção de descida do reator.[0022] In particular modalities, the fermentation broth and the gaseous substrate are cycled through the rise section and a fall section of a looped cycle reactor. In particular embodiments, the gas stream enters the top of the reactor riser section. In alternative embodiments, the gas enters multiple sites through the riser section of the reactor. In alternative embodiments, the gas enters multiple sites through the descent section of the reactor.

[0023] Em modalidades particulares, uma porção do caldo de fermentação é retirada próximo do fundo da seção de descida do reator e circulada para o espaço superior da seção de subida do reator. Em modalidades particulares, a porção do caldo de fermentação removida da saída é pulverizada dentro do espaço superior da subida através de uma cabeça de chuveiro ou bocal perfurado. Em certas modalidades, o líquido pulverizado dentro do espaço superior reduz a camada de espuma no topo do líquido contido na subida. Em outras modalidades, o líquido pulverizado dentro do espaço superior quebra bolhas de espuma e arrasta o gás dentro do caldo de fermentação do ciclo primário do reator.[0023] In particular embodiments, a portion of the fermentation broth is withdrawn near the bottom of the reactor down-section section and circulated to the upper space of the reactor up-section section. In particular embodiments, the portion of the fermentation broth removed from the outlet is sprayed into the head space of the rise through a shower head or perforated nozzle. In certain embodiments, the liquid sprayed into the headspace reduces the foam layer on top of the liquid contained in the rise. In other embodiments, the liquid sprayed into the headspace breaks foam bubbles and entrains the gas within the primary loop fermentation broth of the reactor.

[0024] Em modalidades particulares, um ou mais micro-organismos fermentam o substrato contendo carbono para produzir produtos incluindo ácidos e álcoois. Em modalidades particulares, o um ou mais micro-organismos produzem um ou mais produtos por fermentação de um substrato gasoso compreendendo CO. Em modalidades particulares, a fermentação é fermentação anaeróbica. Em modalidades particulares, a uma ou mais culturas de micro-organismos convertem CO e opcionalmente H2 para produtos incluindo ácidos e/ou álcoois. Em modalidades particulares, os produtos são selecionados do grupo que consiste em etanol, ácido acético, 2,3-butanodiol, butanol, lactato, succinato, metil etil cetona (MEK), propanodiol, 2-propanol, isopropanol, acetoána, iso-butanol, citramalato, butadieno, poli ácido láctico, isobutileno, 3-hidroxi propionato (3HP), acetona, ácidos graxos e misturas dos mesmos.[0024] In particular embodiments, one or more microorganisms ferment the carbon-containing substrate to produce products including acids and alcohols. In particular embodiments, the one or more microorganisms produce one or more products by fermenting a gaseous substrate comprising CO. In particular embodiments, fermentation is anaerobic fermentation. In particular embodiments, the one or more cultures of microorganisms convert CO and optionally H2 to products including acids and/or alcohols. In particular embodiments, products are selected from the group consisting of ethanol, acetic acid, 2,3-butanediol, butanol, lactate, succinate, methyl ethyl ketone (MEK), propanediol, 2-propanol, isopropanol, acetoane, iso-butanol , citramalate, butadiene, polylactic acid, isobutylene, 3-hydroxy propionate (3HP), acetone, fatty acids and mixtures thereof.

[0025] Em várias modalidades, a fermentação é conduzida utilizando uma cultura de micro-organismo compreendendo uma ou mais cepas de bactéria carboxidotróficas. Em várias modalidades, a bactéria carboxidotrófica é selecionada de Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium, ou Butryribacterium. Em uma modalidade, a bactéria carboxidotrófica é Clostridium autoethanogenum. Em modalidades particulares, a bactéria tem as características de identificação do número de acessão DSMZ10061 ou DSMZ23693.[0025] In various embodiments, fermentation is conducted using a microorganism culture comprising one or more carboxydotrophic bacterial strains. In various embodiments, carboxydotrophic bacteria are selected from Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium, or Butryribacterium. In one embodiment, the carboxydotrophic bacteria is Clostridium autoethanogenum. In particular modalities, the bacterium has the identification characteristics of the accession number DSMZ10061 or DSMZ23693.

[0026] O substrato gasoso pode compreender um gás obtido como um subproduto de um processo industrial. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo que consiste em produtos de manufatura metal ferroso, produtos de manufatura não ferrosos, processos de refinamento, processos de refinamento de petróleo, gasificação de biomassa, gasificação de carvão, produção de energia elétrica, produção de carvão preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Alternativamente, o substrato gases é uma fonte de gás reformada incluindo gás natural, gás de xisto, gás de petróleo associado e biogás. Em modalidades alternativas, o gás é obtido pela gasificação de biomassa ou resíduos sólidos municipais. Em uma modalidade da invenção, o substrato gasoso é singas. Em uma modalidade, o substrato gasoso compreende um gás obtido de um moinho de aço.[0026] The gaseous substrate may comprise a gas obtained as a by-product of an industrial process. In certain embodiments, the industrial process is selected from the group consisting of ferrous metal manufacturing products, non-ferrous manufacturing products, refining processes, petroleum refining processes, biomass gasification, coal gasification, electricity production, production black coal, ammonia production, methanol production and coca manufacturing. Alternatively, the gases substrate is a source of reformed gas including natural gas, shale gas, associated petroleum gas and biogas. In alternative modalities, the gas is obtained by gasification of biomass or municipal solid waste. In one embodiment of the invention, the gaseous substrate is singas. In one embodiment, the gaseous substrate comprises a gas obtained from a steel mill.

[0027] A invenção também inclui as partes, elementos e características referidas para ou indicadas na especificação do pedido, individualmente ou coletivamente, em qualquer ou todas combinações de duas ou mais das referidas partes, elementos ou características, e em que inteiros específicos são mencionados aqui que têm equivalentes conhecidos na técnica à qual a invenção é relacionada, tais equivalentes conhecidos são considerados como sendo incorporados aqui como se estabelecidos individualmente.[0027] The invention also includes the parts, elements and characteristics referred to or indicated in the order specification, individually or collectively, in any or all combinations of two or more of said parts, elements or characteristics, and in which specific integers are mentioned herein that have known equivalents in the art to which the invention is related, such known equivalents are considered to be incorporated herein as if set out individually.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0028] A invenção será agora descrita em detalhes com referência às Figuras em anexo em que:[0028] The invention will now be described in detail with reference to the attached Figures in which:

[0029] Figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade de um reator de ciclo circulado compreendendo um ciclo secundário.[0029] Figure 1 shows a schematic diagram of an embodiment of a looped loop reactor comprising a secondary loop.

[0030] Figura 2 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo uma válvula de porta, eliminando a necessidade de uma bomba secundária.[0030] Figure 2 shows a schematic diagram of an alternative embodiment of the looped loop reactor comprising a gate valve, eliminating the need for a secondary pump.

[0031] Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade do reator de ciclo circulado compreendendo um sistema de reciclo celular integrado, eliminando a necessidade de uma bomba secundária.[0031] Figure 3 shows a schematic diagram of an embodiment of the looped cycle reactor comprising an integrated cell recycling system, eliminating the need for a secondary pump.

[0032] Figura 5 é um gráfico mostrando o efeito da taxa de fluxo de bomba secundária na retenção da subida baseado em resultados experimentais de um reator de 6 metros de altura.[0032] Figure 5 is a graph showing the effect of secondary pump flow rate on rise retention based on experimental results from a 6 meter high reactor.

[0033] Figura 6 é um gráfico mostrando o efeito do ciclo secundário na conversão de CO baseado em resultados experimentais de um reator de 6 metros de altura.[0033] Figure 6 is a graph showing the effect of the secondary cycle on CO conversion based on experimental results from a 6 meter high reactor.

[0034] Figura 7 é um gráfico mostrando o efeito de um ciclo secundário na retenção da subida baseado em resultados experimentais de um reator de 3 metros de altura.[0034] Figure 7 is a graph showing the effect of a secondary cycle on climb retention based on experimental results from a 3 meter high reactor.

[0035] Figura 8 é um gráfico mostrando o efeito da velocidade de bomba de ciclo secundário na subida e retenção na descida baseado em resultados experimentais de um reator de 10 metros de altura.[0035] Figure 8 is a graph showing the effect of secondary cycle pump speed on climb and hold on descent based on experimental results from a 10 meter high reactor.

[0036] Figura 9 é um gráfico mostrando o efeito da velocidade de uma bomba de ciclo secundário na conversão de CO, baseado em resultados experimentais de um reator de 10 metros de altura.[0036] Figure 9 is a graph showing the effect of the speed of a secondary cycle pump on the CO conversion, based on experimental results from a 10 meter high reactor.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODefiniçõesDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTIONDefinitions

[0037] Ao menos que definido de outro modo, os seguintes termos como utilizados através desta especificação são definidos como segue:[0037] Unless otherwise defined, the following terms as used throughout this specification are defined as follows:

[0038] Q Vgtoq “uwduVtcVq icuquq” kpenwk swcnswgt iáu swg eqpVfio wo composto ou elemento utilizado por um micro-organismo como uma fonte de carbono e opcionalmente fonte de energia na fermentação. O substrato gasoso irá tipicamente conter uma proporção significante de CO, de pelo menos cerca de 5% a cerca de 100% de CO por volume.[0038] Q Vgtoq "uwduVtcVq icuquq" kpenwk swcnswgt iáu swg eqpVwire wo compound or element used by a microorganism as a carbon source and optionally as a source of energy in fermentation. The gaseous substrate will typically contain a significant proportion of CO, from at least about 5% to about 100% CO by volume.

[0039] Embora não seja necessário para o substrato conter qualquer hidrogênio, a presença de H2 não deve ser prejudicial para a formação do produto de acordo com os métodos da invenção. Em modalidades particulares, a presença de hidrogênio resulta em uma melhora geral na eficiência da produção de álcool. Por exemplo, em modalidades particulares, o substrato pode compreender uma proporção de cerca de 2:1, ou 1:1, ou 1:2 de H2:CO. Em modalidades particulares, o substrato pode compreender uma proporção de entre 2:1 a 1:2 de H2:CO. Em uma modalidade, o substrato compreende cerca de 30% ou menos de H2 por volume, 20% ou menos de H2 por volume, cerca de 15% ou menos de H2 por volume ou cerca de 10% ou menos de H2 por volume. Em outras modalidades, a corrente de substrato compreende baixas concentrações de H2, por exemplo, menos que 5%, ou menos que 4%, ou menos que 3%, ou menos que 2%, ou menos que 1%, ou é substancialmente livre de hidrogênio. O substrato pode também conter algum CO2, por exemplo, tal como cerca de 1% cerca de 80% de CO2 por volume, ou 1% a cerca de 30% de CO2 por volume. Em uma modalidade o substrato compreende menos que ou igual a cerca de 20% de CO2 por volume. Em modalidades particulares, o substrato compreende menos que ou igual a cerca de 15% de CO2 por volume, menos que ou igual a cerca de 10% de CO2 por volume, menos que ou igual a cerca de 5% de CO2 por volume ou substancialmente nenhum CO2.[0039] Although it is not necessary for the substrate to contain any hydrogen, the presence of H2 should not be detrimental to the formation of the product according to the methods of the invention. In particular embodiments, the presence of hydrogen results in an overall improvement in the efficiency of alcohol production. For example, in particular embodiments, the substrate can comprise a ratio of about 2:1, or 1:1, or 1:2 H2:CO. In particular embodiments, the substrate can comprise a ratio of between 2:1 to 1:2 H2:CO. In one embodiment, the substrate comprises about 30% or less H2 by volume, 20% or less H2 by volume, about 15% or less H2 by volume, or about 10% or less H2 by volume. In other embodiments, the substrate stream comprises low concentrations of H2, for example, less than 5%, or less than 4%, or less than 3%, or less than 2%, or less than 1%, or is substantially free of hydrogen. The substrate may also contain some CO2, for example, such as about 1% to about 80% CO2 by volume, or 1% to about 30% CO2 by volume. In one embodiment the substrate comprises less than or equal to about 20% CO2 by volume. In particular embodiments, the substrate comprises less than or equal to about 15% CO2 by volume, less than or equal to about 10% CO2 by volume, less than or equal to about 5% CO2 by volume, or substantially no CO2.

[0040] Q Vgtoq “oekq PwVtkgpVg niswkfq” kpenwk wo ogkq niswkfq compreendendo nutrientes adequados para fermentação de um ou mais microorganismos. O meio nutriente líquido irá conter vitaminas e/ou minerais suficientes para permitir o crescimento dos micro-organismos utilizados. Meios anaeróbicos adequados para a fermentação utilizando CO são conhecidos na técnica. Por exemplo, meios adequados são descritos em Beibel (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 18-26).[0040] Q Vgtoq "oekq PwVtkgpVg niswkfq" kpenwk wo ogkq niswkfq comprising nutrients suitable for fermentation of one or more microorganisms. The liquid nutrient medium will contain enough vitamins and/or minerals to allow the microorganisms used to grow. Suitable anaerobic media for fermentation using CO are known in the art. For example, suitable means are described in Beibel (Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology (2001) 27, 18-26).

[0041] Q Vgtoq “áekfq” eqoq wVükzcfq cswk kpenwk codqu áekfqu carboxílicos e o ânion carboxilato associado, tal como a mistura de ácido acético livre e acetato presente em um caldo de fermentação como descrito aqui. A proporção do ácido molecular para o carboxilato no caldo de fetogpVc>«q fi fepgpfgpVe fq pH fq ukuVgoCo Go cfk>«q. q Vgtoq “ceeVcVq” inclui ambos o sal acetato sozinho e uma mistura de moléculas de ácido acético livre e o sal acetato, tal como a mistura do sal acetato e ácido acético livre presente no caldo de fermentação como descrito aqui.[0041] Q Vgtoq "áekfq" eqoq wVükzcfq cswk kpenwk codqu áekfqu carboxylates and the associated carboxylate anion, such as the mixture of free acetic acid and acetate present in a fermentation broth as described herein. The ratio of molecular acid to carboxylate in the broth of fetogpVc>«q fi fepgpfgpVe fq pH fq ukuVgoCo Go cfk>«q. q Vgtoq “ceeVcVq” includes both the acetate salt alone and a mixture of free acetic acid molecules and the acetate salt, such as the mixture of the acetate salt and free acetic acid present in the fermentation broth as described herein.

[0042] Qu Vgtoqu “teekrkepVe fg fetoepVc>«q”, “tecVqt” glqw “dkqttecVqt” kpenweo fkurqukvkxqu e teekrkepVeu rctc q eqpVcVq iáuiníswkfq, adequado para a condução da fermentação desejada.[0042] Qu Vgtoqu "teekrkepVe fg fetoepVc>«q", "tecVqt" glqw "dkqttecVqt" kpenweo fkurqukvkxqu and teekrkepVeu rctc q eqpVcVq iáuiníswkfq, suitable for conducting the desired fermentation.

[0043] Wo “tecVqt fe ekenq ezVetpq fe ektewnc>«q forçcfc” elqw “tecVqt fe ekenq ektewncfq” eqorteepfe wo teekrkepVe pqtocnoepVe Vepfq fqku cilindros verticais com conexões horizontais entre eles. O conteúdo, que é normalmente um líquido mais um gás substrato, é forçado a circular para cima de um cilindro vertical (subida) através de uma conexão horizontal e então para baixo através de outro cilindro vertical (descida) e então através de uma conexão horizontal mais baixa do reator por um impulsor ou uma bomba de um tipo apropriado para completar o ciclo.[0043] Wo "tecVqt fe ekenq ezVetpq fe ektewnc>"q forçcfc" elqw "tecVqt fe ekenq ektewncfq" eqorteepfe wo teekrkepVe pqtocnoepVe Vepfq fqku vertical cylinders with horizontal connections between them. The content, which is usually a liquid plus a substrate gas, is forced to circulate up a vertical cylinder (upward) through a horizontal connection and then down through another vertical cylinder (downward) and then through a horizontal connection lower reactor by an impeller or a pump of an appropriate type to complete the cycle.

[0044] Q Vetoq “uwdkfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt eo swe q conteúdo líquido/gás percorre concorrentemente para cima.[0044] Q Vetoq “uwdkfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt and the swe q liquid/gas content runs concurrently upwards.

[0045] Q Vetoq “feuekfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt eo swe q conteúdo líquido/gás percorre concorrentemente para baixo.[0045] Q Vetoq “feuekfc” eqorteepfe woc ue>«q fq tecVqt and the swe q liquid/gas content runs concurrently downwards.

[0046] Q Vetoq “uerctcfqt” kpenwk c re>c fq tecVqt eo swe renq menos uma porção do gás se separa da mistura de duas fases líquida-gasosa permitindo que as bolhas subam para a superfície do líquido.[0046] Q Vetoq “uerctcfqt” kpenwk c re>c fq tecVqt and the swe renq minus a portion of the gas separates from the liquid-gaseous two-phase mixture allowing the bubbles to rise to the surface of the liquid.

[0047] Q “eurc>q uwretkqt” kpenwk c rctVe fq tecVqt cekoc fq separador definido acima.[0047] Q “eurc>q uwretkqt” kpenwk c rctVe fq tecVqt cekoc fq separator defined above.

[0048] Q Vetoq “dqodc fe ekenq” eqorteepfe woc dqodc swe fi utilizada para dirigir o meio líquido no reator para fluir. O meio líquido pode conter uma porção certa de bolhas de gás ou gás dissolvido. Em uma modalidade particular, este pode incluir uma bomba de fluxo axial instalada no fundo da descida.[0048] Q Vetoq “dqodc fe ekenq” eqorteepfe woc dqodc swe fi used to direct the liquid medium in the reactor to flow. The liquid medium may contain a certain amount of gas bubbles or dissolved gas. In a particular embodiment, this may include an axial flow pump installed at the bottom of the descent.

[0049] Q Vetoq “dqmfafqt” elqw “fkuVtkdwkfqt fe iáu” eqorteepfe um dispositivo para introduzir gás em um líquido para agitá-lo ou para dissolver o gás no líquido. Em uma modalidade particular, o borrifador pode ser uma placa perfurada, vidro sinterizado, metal sinterizado, tubo de borracha poroso, tubo de metal poroso, cerâmica porosa ou aço inoxidável. O borrifador pode ser vários graus (isto é, porosidades) para fornecer um Vcocpjq gurgeihkeq fg “dqnjc”[0049] Q Vetoq “dqmfafqt” and elqw “fkuVtkdwkfqt fe iáu” eqorteepfe a device for introducing gas into a liquid to agitate it or to dissolve the gas in the liquid. In a particular embodiment, the spray can be a perforated plate, sintered glass, sintered metal, porous rubber tube, porous metal tube, porous ceramic or stainless steel. The spray can be several degrees (ie, porosities) to provide a Vcocpjq gurgihkeq fg “dqnjc”

[0050] Q Vgtoq “dqecF’ glqw “ecdg>c fg ejwxgitq” eqortggnfg wo dispositivo que divide um fluxo líquido em múltiplos jatos líquidos. Em uma modalidade particular, o bocal é um tubo perfurado com poros para baixo.[0050] Q Vgtoq “dqecF’ glqw “ecdg>c fg ejwxgitq” eqortggnfg w device that divides a liquid flow into multiple liquid jets. In a particular embodiment, the mouthpiece is a perforated tube with pores down.

[0051] Eqoq tgfgtifq cswi, “gurwoc” fi woc ocuuc fg dqnjcu de gás em uma matriz de filmes líquidos. A fração de gás volumétrica na espuma é preferencialmente maior que 70%.[0051] Eqoq tgfgtifq cswi, “gurwoc” fi woc ocuuc fg dqnjcu of gas in a matrix of liquid films. The volumetric gas fraction in the foam is preferably greater than 70%.

[0052] C “eqnxgtu«q” fg wo uwduVtcVq fi c rtqrqt>«q fg wo uwduVtcVq reagido durante a reação para a quantidade total de um substrato suprido para o reator.[0052] C "eqnxgtu«q" fg wo uwduVtcVq fi c rtqrqt>«q fg wo uwduVtcVq reacted during the reaction for the total amount of a substrate supplied to the reactor.

[0053] Q Vgtoq “tgVgn>«q fg iáu” inenwi c ftc>«q fg iáu xqnwofiVtiec em uma mistura de duas fases líquida-gasosa.[0053] Q Vgtoq "tgVgn>«q fg iáu" inenwi c ftc>«q fg iáu xqnwofiVtiec in a two-phase liquid-gas mixture.

[0054] Q Vgtoq “Vtcnufgtêneic fg ocuuc” wVüizcfq cswi predominantemente significa a transferência de substratos gasosos ao meio líquido em que o micro-organismo reside.[0054] Q Vgtoq "Vtcnufgtêneic fg ocuuc" wVüizcfq cswi predominantly means the transfer of gaseous substrates to the liquid medium in which the micro-organism resides.

[0055] Qu Vgtoqu “gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc”. “gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc xqnwofiVtiec” g uioinctgu. tgfgtgo-se à taxa de dissolução do substrato gasoso dentro do meio líquido por unidade de tempo por unidade de volume de reator.[0055] Qu Vgtoqu "gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc". “gfieiêneic fg Vtcnufgtêneic fg ocuuc xqnwofiVtiec” g uioinctgu. it is the rate of dissolution of the gaseous substrate within the liquid medium per unit of time per unit of reactor volume.

[0056] Qu Vgtoqu “cwognVcnfq c gfieiêneic”. “gfieiêneic cwognVcfc” e similares, quando utilizados em relação a um processo de transferência de massa, referem-se à taxa mais alta da dissolução do substrato gasoso no meio líquido.[0056] Qu Vgtoqu "cwognVcnfq c gfieiêneic". "gfieiêneic cwognVcfc" and the like, when used in connection with a mass transfer process, refer to the highest rate of dissolution of the gaseous substrate in the liquid medium.

[0057] Ao menos que o contexto requeira ao contrário, as frases “fgtognVcnfq”, “rtqeguuq fg fgtognVc>«q” qw “tgc>«q fg fgtognVc>«q” g similares, como utilizado aqui, pretendem englobar a fase de crescimento e a fase de biossíntese do produto do processo.[0057] Unless the context requires otherwise, the similar phrases "fgtognVcnfq", "rtqeguuq fg fgtognVc>«q" qw "tgc>«q fg fgtognVc>«q" g, as used herein, are intended to encompass the phase of growth and the biosynthesis phase of the product of the process.

[0058] A fermentação eficiente dos substratos gasosos para produzir os produtos requer controle da quantidade de substrato transferida dentro de um caldo de fermentação para garantir altas taxas de produção de produtos desejados e a prevenção da inibição. Em adição, de modo a maximizar a captura de carbono, a quantidade de um substrato transferido dentro do caldo de fermentação, de modo que pode este ser convertido por um ou mais microorganismos, deve ser mantida em um alto nível. Além disso, de modo a manter a eficiência geral, o substrato deve ser transferido dentro da solução de modo que o poder de entrada através do sistema é minimizado.[0058] Efficient fermentation of gaseous substrates to produce the products requires control of the amount of substrate transferred within a fermentation broth to ensure high rates of production of desired products and the prevention of inhibition. In addition, in order to maximize carbon capture, the amount of a substrate transferred within the fermentation broth, so that it can be converted by one or more microorganisms, must be kept at a high level. Also, in order to maintain overall efficiency, the substrate must be transferred into the solution so that power input through the system is minimized.

[0059] De acordo com a invenção, é fornecido um sistema para uma fermentação melhorada de um substrato gasoso através da introdução de um ciclo secundário para um reator de ciclo externo de circulação forçada. O reator compreende um ciclo primário através do qual o caldo de fermentação compreendendo um substrato gasoso é circulado através de um segmento de subida e uma seção de descida por uma bomba de ciclo. À jusante da bomba de ciclo uma porção do caldo de fermentação é retirada da seção de descida e é direcionada para o topo do reator através de um ciclo secundário. Em modalidades particulares, a porção do caldo de fermentação removida do ciclo primário é pulverizada do ciclo secundário através de um bocal.[0059] According to the invention, there is provided a system for an improved fermentation of a gaseous substrate by introducing a secondary loop to a forced circulation external loop reactor. The reactor comprises a primary cycle through which fermentation broth comprising a gaseous substrate is circulated through a riser segment and a falloff section by a cycle pump. Downstream of the cycle pump a portion of the fermentation broth is withdrawn from the descent section and is directed to the top of the reactor through a secondary cycle. In particular embodiments, the portion of fermentation broth removed from the primary cycle is sprayed from the secondary cycle through a nozzle.

[0060] A etapa de limitação de taxa primária na fermentação de gás é a transferência de massa gás para líquido. Meios conhecidos de aumentar a transferência de massa são através da agitação de uma mistura de gás e líquido, como a agitação mecânica do caldo. Entretanto, estes métodos conhecidos para aumentar a transferência de massa requerem uma grande força de entrada, que se torna ineficiente e/ou não econômica conforme a escala aumenta.[0060] The primary rate limiting step in gas fermentation is gas-to-liquid mass transfer. Known means of increasing mass transfer are by stirring a mixture of gas and liquid, such as mechanical stirring of the broth. However, these known methods to increase mass transfer require a large input force, which becomes inefficient and/or uneconomical as the scale increases.

[0061] O reator da presente invenção é configurado para melhorar significativamente a transferência de massa de uma fase gasosa para uma fase líquida. Em modalidades particulares, uma porção do fluxo líquido é retirada da descarga da bomba de ciclo na seção de descida e, portanto, a taxa de fluxo de líquido volumétrica na seção de subida é menos que a da seção de descida. Em certas modalidades, a retirada da porção do caldo de fermentação da seção de descida resulta no aumento da retenção do gás e a transferência de massa na seção de subida do reator.[0061] The reactor of the present invention is configured to significantly improve the mass transfer from a gas phase to a liquid phase. In particular embodiments, a portion of the liquid flow is withdrawn from the cycle pump discharge in the descending section and, therefore, the volumetric liquid flow rate in the ascent section is less than that in the descending section. In certain embodiments, the removal of the fermentation broth portion from the descending section results in increased gas retention and mass transfer in the riser section of the reactor.

[0062] Em uma modalidade particular de um aparelho da invenção, o reator consiste em uma seção de subida e uma seção de descida. A subida e a descida são conectadas por duas seções horizontais em cada extremidade para formar um ciclo primário, e o fluxo líquido/gás através é dirigido através do ciclo primário pelo menos parcialmente por uma bomba no fundo da descida. Em modalidades particulares, o gás é introduzido no sistema através de um tipo de borrifador apropriado. Em modalidades particulares, uma linha de ciclo secundária se conecta ao fundo da descida e o topo do reator para formar um ciclo secundário. Em modalidades particulares, a linha de ciclo secundário é conectada à jusante da descida da bomba de ciclo primário, mas antes da subida. Em modalidades particulares, a linha de ciclo secundária retira uma corrente de líquido da descarga da bomba de ciclo por uma bomba secundária. Em modalidades particulares, uma corrente líquida é passada para o topo do reator através de uma linha de ciclo secundária, em que o líquido é pulverizado dentro do espaço superior do reator através de pelo menos um bocal. Em certas modalidades, o pelo menos um bocal é uma cabeça de chuveiro.[0062] In a particular embodiment of an apparatus of the invention, the reactor consists of a rise section and a fall section. The rise and fall are connected by two horizontal sections at each end to form a primary loop, and the liquid/gas flow through is directed through the primary loop at least partially by a pump at the bottom of the descent. In particular embodiments, the gas is introduced into the system through an appropriate type of sprayer. In particular embodiments, a secondary loop line connects to the bottom of the descent and the top of the reactor to form a secondary loop. In particular embodiments, the secondary loop line is connected downstream of the descent of the primary loop pump, but before the ascent. In particular embodiments, the secondary cycle line draws a stream of liquid from the cycle pump discharge by a secondary pump. In particular embodiments, a liquid stream is passed to the top of the reactor through a secondary loop line, whereby liquid is sprayed into the headspace of the reactor through at least one nozzle. In certain embodiments, the at least one nozzle is a shower head.

[0063] Em modalidades da invenção, o sistema tem aplicação na fermentação de substratos gasosos para um ou mais produtos, os referidos produtos incluindo ácidos, álcoois e dióis. Em particular, etanol, ácido acético e 2,3-butanodiol são produzidos por fermentação de um substrato gasoso compreendendo CO. Produtos alternativos incluem butanol, lactato, succinato, metil etil cetona (MEK), propanodiol, 2-propanol, isopropanol, acetoína, iso-butanol, citramalato, butadieno, poli ácido láctico, isobutileno, 3-hidroxi propionato (3HP), acetona, ácidos graxos e misturas dos mesmos.[0063] In embodiments of the invention, the system has application in the fermentation of gaseous substrates for one or more products, said products including acids, alcohols and diols. In particular, ethanol, acetic acid and 2,3-butanediol are produced by fermentation of a gaseous substrate comprising CO. Alternative products include butanol, lactate, succinate, methyl ethyl ketone (MEK), propanediol, 2-propanol, isopropanol, acetoin, iso-butanol, citramalate, butadiene, polylactic acid, isobutylene, 3-hydroxy propionate (3HP), acetone, fatty acids and mixtures thereof.

[0064] Tipicamente, o espaço superior da seção de subida do reator compreende uma camada de espuma resultante do gás que sobe e a agitação do caldo. A presente invenção permite que o caldo de fermentação utilizado no processo de fermentação no reator seja pulverizado na camada de espuma, em que o spray tem o efeito de quebrar as bolhas grandes de gás na espuma. As bolhas grandes de gás sobem com velocidade maior através do líquido e, portanto, têm um tempo de residência mais curto na subida, com menos transferência de massa do gás contido. Através da quebra das bolhas grandes de gás, as bolhas menores são arrastadas de volta dentro da seção de descida do reator, que fornece ainda a oportunidade para transferência de massa. Em uma outra modalidade, o chuveiro é pulverizado na camada de espuma no espaço superior para quebrar eficazmente a espuma, de modo que não acumula e bloqueia os oleodutos à jusante do reator.[0064] Typically, the head space of the reactor riser section comprises a layer of foam resulting from the rising gas and agitation of the broth. The present invention allows the fermentation broth used in the reactor fermentation process to be sprayed onto the foam layer, where the spray has the effect of breaking up large gas bubbles in the foam. Large gas bubbles rise with greater velocity through the liquid and therefore have a shorter rise time residence with less mass transfer of the contained gas. By breaking up the large gas bubbles, the smaller bubbles are drawn back into the descending section of the reactor, which further provides the opportunity for mass transfer. In another embodiment, the shower is sprayed onto the foam layer in the headspace to effectively break the foam so that it does not build up and block the pipelines downstream of the reactor.

[0065] Em outra modalidade, o chuveiro transforma a camada de espuma em uma contracorrente de contato gás-líquido em que o líquido flui para baixo e o gás flui para cima. A eficiência de transferência de massa neste fluxo de contracorrente por si só é alta devido à ação da contracorrente e o alto conteúdo de gás. Apesar da concentração do substrato gasoso na fase gasosa poder ser pobre, esta parte do reator irá contribuir com uma quantidade significativa para a captação do substrato. Quando há flutuações no suprimento de gás, a altura da espuma de gás pode ser ajustada de acordo para manter uma taxa de produção estável.[0065] In another modality, the shower transforms the foam layer into a gas-liquid contact countercurrent in which the liquid flows downwards and the gas flows upwards. The mass transfer efficiency in this countercurrent flow itself is high due to the countercurrent action and the high gas content. Although the concentration of the gaseous substrate in the gaseous phase may be poor, this part of the reactor will contribute a significant amount to substrate uptake. When there are fluctuations in the gas supply, the gas foam height can be adjusted accordingly to maintain a stable production rate.

[0066] A fermentação pode ser conduzida em qualquer biorreator aceitável, tal como um reator de célula imobilizada, um reator de elevação de gás, um reator de coluna de bolha (BCR), um reator de membrana, tal como um Hollow Fibre Membrane Bioreactor (HFM BR) ou um reator de leito de gotejamento (TBR). Também, em algumas modalidades da invenção, o biorreator pode compreender um primeiro reator de crescimento em que os micro-organismos são cultivados, e um ou mais reatores de fermentação de produção configurados em série ou em paralelo, aos quais o caldo de fermentação do reator de crescimento pode ser alimentado e em que a maioria do produto de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) pode ser produzida. O biorreator da presente invenção é adaptado para receber substrato contendo CO e/ou H2, ou um CO2 e/ou H2.[0066] The fermentation can be conducted in any acceptable bioreactor, such as an immobilized cell reactor, a gas lift reactor, a bubble column reactor (BCR), a membrane reactor, such as a Hollow Fiber Membrane Bioreactor (HFM BR) or a drip bed reactor (TBR). Also, in some embodiments of the invention, the bioreactor may comprise a first growth reactor in which microorganisms are cultured, and one or more production fermentation reactors configured in series or in parallel, to which the reactor fermentation broth of growth can be fed and in which the majority of the fermentation product (eg ethanol and acetate) can be produced. The bioreactor of the present invention is adapted to receive substrate containing CO and/or H2, or a CO2 and/or H2.

[0067] Em modalidades particulares, a entrada de gás é situada no fundo da seção de subida do reator. Os inventores identificaram que um excesso de CO na área próxima à entrada de gás (isto é, o fundo da subida) resulta na inibição do micro-organismo. Entretanto, este problema é surpreendentemente superado pela presente invenção. Em modalidades particulares, a entrada de gás no espaço superior da seção de subida do reator compreende um menor conteúdo de CO que o gás de entrada fresco no fundo da subida. Quando o gás arrastado é eventualmente reciclado através da descida para retornar para o fundo da subida, o gás arrastado se mistura com o gás de entrada fresco e reduz a concentração de CO dissolvida no fundo da subida, eficazmente reduzindo a chance de inibição do substrato e melhorando a conversão de CO geral. O mesmo problema pode também ser resolvido pela divisão do gás alimentado em mais de uma corrente e injetando-os em múltiplos sítios da subida e descida do reator. O último método, entretanto, não melhora significativamente a conversão de CO.[0067] In particular modes, the gas inlet is located at the bottom of the reactor riser section. The inventors have identified that an excess of CO in the area close to the gas inlet (ie, the bottom of the ascent) results in inhibition of the microorganism. However, this problem is surprisingly overcome by the present invention. In particular embodiments, the gas inlet in the headspace of the reactor riser section comprises a lower CO content than the fresh inlet gas at the bottom of the riser. When the entrained gas is eventually recycled through the descent to return to the bottom of the ascent, the entrained gas mixes with the fresh inlet gas and reduces the concentration of dissolved CO at the bottom of the ascent, effectively reducing the chance of substrate inhibition and improving overall CO conversion. The same problem can also be solved by splitting the fed gas into more than one stream and injecting them at multiple sites in the rise and fall of the reactor. The latter method, however, does not significantly improve CO conversion.

[0068] De acordo com modalidades particulares, a taxa de transferência de massa do substrato gasoso para a cultura microbiana pode ser controlada de modo que a cultura microbiana é suprida com o substrato em ou para uma taxa de suprimento ótima. Em reatores, a taxa de transferência de massa pode ser controlada pelo controle da pressão parcial do substrato gasoso e/ou pelo controle da taxa de fluxo líquido ou retenção de gás. Em modalidades particulares, a transferência de massa é controlada pelo controle da taxa em que o caldo de fermentação é bombeado através de ambos os ciclos primários e secundários do reator.[0068] According to particular embodiments, the mass transfer rate from the gaseous substrate to the microbial culture can be controlled so that the microbial culture is supplied with the substrate at or for an optimal supply rate. In reactors, the mass transfer rate can be controlled by controlling the partial pressure of the gaseous substrate and/or by controlling the liquid flow rate or gas retention. In particular embodiments, mass transfer is controlled by controlling the rate at which the fermentation broth is pumped through both the primary and secondary reactor cycles.

[0069] Em modalidades particulares, o gás fresco é introduzido no recipiente por uma ou mais entrada de gás. Tipicamente, a alta transferência de massa pode ser alcançada pela introdução do substrato gasoso como bolhas finas. Os especialistas na técnica irão apreciar meios para introdução do substrato gasoso, tais como borrifadores. Em modalidades particulares, o gás é introduzido no recipiente por difusores de bolha fina ou outro tipo de gerador de bolha fina.[0069] In particular embodiments, fresh gas is introduced into the container by one or more gas inlet. Typically, high mass transfer can be achieved by introducing the gaseous substrate as fine bubbles. Those skilled in the art will appreciate means for introducing the gaseous substrate, such as sprinklers. In particular embodiments, gas is introduced into the container by fine-bubble diffusers or another type of fine-bubble generator.

[0070] Após a consideração da presente divulgação, os especialistas na técnica irão apreciar o tamanho e tipo de bombas requeridas para circular o caldo de fermentação compreendendo um ou mais micro-organismos em torno dos ciclos primários e secundários. Deve ser notado que quanto maior a retenção do gás no líquido, menor a densidade do líquido, então a bomba necessita ser configurada para circular líquidos de densidades variadas, de acordo com mudança na composição da suspensão de gás/líquido. Por modo de exemplos sem limitação, uma ou mais bombas de múltiplas fases configuradas para bombeamento da suspensão de caldo de fermentação/gás podem ser utilizadas para circular uma única fase líquida e aumentar a pressão de descarte de um fluido. Utilizando um impulsor rotativo, o líquido entra na bomba ao longo de um eixo de rotação do motor e acelera o líquido radialmente para fora através de uma câmara de difusão. Bombas de centrifugação podem também operar com retenção de gás de duas fases menores sem cavitação (uma conhecida vulnerabilidade de bombas de centrifugação), mantendo uma cabeça de sucção positiva líquida adequada. Os especialistas na técnica irão apreciar que há soluções de bombeamento de múltiplas fases para aplicações em larga escala.[0070] Upon consideration of the present disclosure, those skilled in the art will appreciate the size and type of pumps required to circulate fermentation broth comprising one or more microorganisms around the primary and secondary cycles. It should be noted that the greater the retention of gas in the liquid, the lower the density of the liquid, so the pump needs to be configured to circulate liquids of varying densities according to the change in the composition of the gas/liquid suspension. By way of examples without limitation, one or more multistage pumps configured to pump the fermentation broth/gas suspension can be used to circulate a single liquid phase and increase the discharge pressure of a fluid. Using a rotary impeller, liquid enters the pump along an axis of rotation of the motor and accelerates the liquid radially outward through a diffusion chamber. Centrifuge pumps can also operate with smaller two-stage gas retention without cavitation (a known vulnerability of centrifugal pumps), maintaining an adequate liquid positive suction head. Those skilled in the art will appreciate that there are multi-stage pumping solutions for large-scale applications.

[0071] Em modalidades alternativas, a seção de descida do recipiente de fermentação compreende uma válvula de porta localizada à montante da saída do ciclo secundário. Nesta modalidade, o caldo de fermentação pode ser retirado da descida para o ciclo secundário restringindo o fluxo do ciclo primário utilizando a válvula de porta. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão de descida da bomba de ciclo à montante da válvula de porta pode ser regulada para fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada. Em certas modalidades, a pressão na descida é monitorada por um medidor de pressão. Esta configuração elimina o requisito de uma bomba de ciclo secundário.[0071] In alternative embodiments, the fermentation vessel descending section comprises a gate valve located upstream of the secondary cycle outlet. In this modality, fermentation broth can be withdrawn from the descent to the secondary cycle by restricting the flow of the primary cycle using the gate valve. By adjusting the gate valve opening, the cycle pump down pressure upstream of the gate valve can be regulated to provide a desired secondary cycle flow rate. In certain modalities, the descent pressure is monitored by a pressure gauge. This configuration eliminates the requirement for a secondary cycle pump.

[0072] Em modalidades particulares, o ciclo secundário é integrado com um sistema de reciclo celular. O sistema de reciclo celular fornece um meio para separar micro-organismos que são retornados para o reator para outra fermentação. Um módulo de reciclo celular continuamente atrai o caldo permeado, enquanto retendo as células. Os especialistas na técnica iriam entender que os membros de reciclo celular podem incluir, entre outros, membranas de reciclo celular ou separadores de centrifugação em pilha de disco. Em modalidades preferenciais, as células são retidas no caldo de fermentação utilizando ultrafiltração. Em certas modalidades, a força de direção para o ciclo secundário é derivada da bomba de reciclo celular. Em modalidades preferenciais, a bomba de reciclo celular é muito maior que as bombas de ciclo secundário descritas acima. Em uma modalidade particular, o caldo de fermentação é retirado à jusante do ciclo secundário do módulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por pelo menos uma válvula de controle à montante do módulo de reciclo celular. Em modalidades particulares, a taxa de fluxo do ciclo secundário é regulada por duas válvulas de controle à montante do módulo de reciclo celular. A primeira válvula de controle regula o fluxo para o topo do reator através da linha de ciclo secundário. A segunda válvula de controle regula o fluxo para uma linha separada que retorna o caldo de fermentação para a descida. Em certas modalidades, de modo a aumentar a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle é aumentado e o fluxo através da segunda válvula de controle é restrito. De modo a diminuir a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle é restrito e o fluxo através da segunda válvula de controle é aumentado. De modo que os requisitos de fluxo de reciclo celular são atendidos, as duas válvulas de controle são configuradas para manter uma taxa de fluxo constante através do módulo de reciclo celular.[0072] In particular modalities, the secondary cycle is integrated with a cell recycling system. The cell recycling system provides a means to separate microorganisms that are returned to the reactor for further fermentation. A cell recycling module continuously attracts the permeated broth while retaining the cells. Those skilled in the art would understand that cell recycle members can include, but are not limited to, cell recycle membranes or disk stack centrifuge separators. In preferred embodiments, cells are retained in the fermentation broth using ultrafiltration. In certain embodiments, the driving force for the secondary cycle is derived from the cell recycling pump. In preferred embodiments, the cell recycling pump is much larger than the secondary cycle pumps described above. In a particular embodiment, fermentation broth is withdrawn downstream of the secondary cycle of the cell recycle module. In particular embodiments, the secondary cycle flow rate and pressure of the cell recycling system are regulated by at least one control valve upstream of the cell recycling module. In particular embodiments, the secondary cycle flow rate is regulated by two control valves upstream of the cell recycling module. The first control valve regulates the flow to the top of the reactor through the secondary loop line. The second control valve regulates the flow to a separate line that returns the fermentation broth to the descent. In certain embodiments, in order to increase the secondary cycle flow rate, the flow through the first control valve is increased and the flow through the second control valve is restricted. In order to decrease the secondary cycle flow rate, the flow through the first control valve is restricted and the flow through the second control valve is increased. So that cell recycling flow requirements are met, the two control valves are configured to maintain a constant flow rate through the cell recycling module.

[0073] O reator da presente invenção pode adicionalmente incluir uma ampla faixa de módulos de contato gás/líquido adequados que pode fornecer transferência de massa eficaz de um substrato gasoso necessário para melhorar a eficiência de fermentações microbianas. Um módulo de contato fornece um ambiente geométrico único permitindo ao gás e ao líquido se misturarem completamente ao longo de um caminho de fluxo estabelecido, fazendo com que o gás arrastado se dissolva no líquido uniformemente. Por modo de exemplo, estes módulos de contato incluem, entre outros, uma matriz de embalagem de metal corrugada estruturada, embalagem aleatória, placas de peneira e misturadores estáticos, todos dos quais tem uma faixa de tipos bem conhecidos e densidade e são amplamente disponíveis comercialmente.[0073] The reactor of the present invention can additionally include a wide range of suitable gas/liquid contact modules that can provide effective mass transfer of a gaseous substrate needed to improve the efficiency of microbial fermentations. A contact module provides a unique geometric environment allowing the gas and liquid to completely mix along an established flow path, causing the entrained gas to dissolve into the liquid evenly. By way of example, these contact modules include, among others, a structured corrugated metal packaging matrix, random packaging, sieve plates and static mixers, all of which have a well known range of types and density and are widely commercially available. .

[0074] Várias modalidades dos sistemas da invenção são descritas nas Figuras em anexo.[0074] Various embodiments of the systems of the invention are described in the attached Figures.

[0075] Figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um reator de ciclo circulado compreendendo um ciclo secundário. O reator consiste em uma subida (2), em que a mistura do líquido e gás (3) flui concorrentemente para cima, e uma descida (8), em que o líquido e gás fluem concorrentemente para baixo. A subida (2) e descida (8) são conectadas por duas seções horizontais em cada extremidade e o fluxo de duas fases é conduzido pelo menos parcialmente por uma bomba (9) no fundo da descida (8). O gás é introduzido no sistema através de um ou mais tipos apropriados de borrifadores (1). Uma porção do gás é carreada dentro da descida (8) pelo fluxo do líquido na separador gás-líquido (4), e esta porção do gás é referida eqoq q “iáu circuVcfq” qw q “iáu tgekelcfq” cswko Q iáu p«q cttcuVcfq fgkzc q sistema através de uma válvula de controle (7), após passar o espaço superior (6). Tipicamente, há uma camada de espuma (5) de alguma altura sobre o nível de líquido no espaço superior (6). Pode ser visto a partir deste diagrama que a mistura do líquido e gás flui da subida (2) para a descida (8) e volta formando um ciclo (isto é, o ciclo primário).[0075] Figure 1 is a schematic diagram of an embodiment of a looped loop reactor comprising a secondary loop. The reactor consists of a rise (2), in which the mixture of liquid and gas (3) concurrently flows upwards, and a descent (8), in which the liquid and gas concurrently flow downwards. The rise (2) and fall (8) are connected by two horizontal sections at each end and the two-phase flow is driven at least partially by a pump (9) at the bottom of the fall (8). Gas is introduced into the system through one or more appropriate types of sprayers (1). A portion of the gas is carried into the descent (8) by the flow of liquid in the gas-liquid separator (4), and this portion of the gas is referred to eqoq q "iáu circuVcfq" qw q "iáu tgekelcfq" cswko Q iáu p«q cttcuVcfq fgkzc q system through a control valve (7), after passing the upper space (6). Typically, there is a foam layer (5) of some height above the liquid level in the head space (6). It can be seen from this diagram that the mixture of liquid and gas flows from the rise (2) to the fall (8) and back forming a cycle (ie the primary cycle).

[0076] O ciclo secundário circula o caldo de fermentação (3) a partir do fundo da descida (8) para o topo do reator. À jusante da bomba de ciclo primário (9), mas antes da subida (2), uma corrente do líquido é retirada da descarga da bomba de ciclo (9) por uma bomba secundária (11). A corrente é passada para o topo do reator através de uma linha de ciclo secundária (12), em que o líquido é pulverizado no espaço superior (6) através de um bocal de spray ou cabeça de chuveiro (10) apropriado. O líquido é pulverizado na superfície da camada de espuma (5) em uma velocidade de cerca de 0,5 m/s a cerca de 5 m/s de modo a quebrar a espuma. A taxa de fluxo de líquido do ciclo secundário é medida e monitorada por um medidor de fluxo (13).[0076] The secondary cycle circulates the fermentation broth (3) from the bottom of the descent (8) to the top of the reactor. Downstream of the primary cycle pump (9), but before the rise (2), a stream of liquid is withdrawn from the discharge of the cycle pump (9) by a secondary pump (11). The current is passed to the top of the reactor through a secondary loop line (12), whereby liquid is sprayed into the head space (6) through an appropriate spray nozzle or shower head (10). The liquid is sprayed onto the surface of the foam layer (5) at a speed of about 0.5 m/s to about 5 m/s so as to break the foam. The secondary cycle liquid flow rate is measured and monitored by a flow meter (13).

[0077] Figura 2 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo uma válvula de porta (14). Outros componentes do reator são removidos da figura por uma questão de clareza. Ao ajustar a abertura da válvula de porta, a pressão de descida da bomba de ciclo, mas à montante da válvula de porta, pode ser regulada para gerar uma taxa de fluxo de ciclo secundário. A pressão é monitorada por um medidor de pressão (15). Esta configuração elimina o requisito para uma bomba de ciclo secundária.[0077] Figure 2 shows a schematic diagram of an alternative embodiment of the looped loop reactor comprising a gate valve (14). Other reactor components are removed from the figure for clarity. By adjusting the gate valve opening, the down pressure of the cycle pump, but upstream of the gate valve, can be regulated to generate a secondary cycle flow rate. Pressure is monitored by a pressure gauge (15). This configuration eliminates the requirement for a secondary cycle pump.

[0078] Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do reator de ciclo circulado compreendendo um sistema de reciclo celular integrado. Outros componentes do reator são removidos da figura por questões de clareza. Nesta modalidade, o ciclo secundário é retirado à jusante do módulo de reciclo celular (19), em que a força de direção para o ciclo secundário vem de uma bomba de reciclo celular (16). Em modalidades preferenciais, a bomba de reciclo celular é muito maior que a bomba de ciclo secundário descrita acima. Em modalidades particulares, o módulo de reciclo celular separa as células do permeado utilizando ultrafiltração ou outro meio de separação tais como membrana. Apenas uma porção do caldo de fermentação fornecido para o modulo de reciclo celular é passado no topo do reator e, portanto, a taxa de fluxo do ciclo secundário e a pressão do sistema de reciclo celular são regulados por duas válvulas de controle (17, 18) à jusante do módulo de reciclo celular (19). A primeira válvula de controle (17) regula o fluxo para o topo do reator através da linha de ciclo secundário. A segunda válvula de controle (18) regula o fluxo para uma linha separada que retorna o caldo de fermentação para a descida. Em certas modalidades, de modo a aumentar a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle (17) é aumentado e o fluxo através da segunda válvula de controle (18) é restrito. De modo a diminuir a taxa de fluxo do ciclo secundário, o fluxo através da primeira válvula de controle (17) é restrito e o fluxo através da segunda válvula de controle (18) é aumentado. De modo que os requisitos para o fluxo de reciclo celular sejam atendidos, as duas válvulas de controle (17, 18) são configuradas para manter uma taxa de fluxo constante através do módulo de reciclo celular (19).[0078] Figure 3 shows a schematic diagram of an alternative embodiment of the looped loop reactor comprising an integrated cell recycling system. Other reactor components are removed from the figure for clarity. In this modality, the secondary cycle is withdrawn downstream of the cell recycling module (19), where the driving force for the secondary cycle comes from a cell recycling pump (16). In preferred embodiments, the cell recycling pump is much larger than the secondary cycle pump described above. In particular embodiments, the cell recycle module separates cells from the permeate using ultrafiltration or other separation means such as membrane. Only a portion of the fermentation broth supplied to the cell recycling module is passed on top of the reactor and therefore the secondary cycle flow rate and the pressure of the cell recycling system are regulated by two control valves (17, 18 ) downstream of the cell recycling module (19). The first control valve (17) regulates the flow to the top of the reactor through the secondary loop line. The second control valve (18) regulates the flow to a separate line that returns the fermentation broth to the descent. In certain embodiments, in order to increase the secondary cycle flow rate, the flow through the first control valve (17) is increased and the flow through the second control valve (18) is restricted. In order to decrease the flow rate of the secondary cycle, the flow through the first control valve (17) is restricted and the flow through the second control valve (18) is increased. In order that the requirements for cell recycling flow are met, the two control valves (17, 18) are configured to maintain a constant flow rate through the cell recycling module (19).

[0079] Deve ser notado que várias mudanças e modificações para as presentes modalidades preferenciais descritas aqui serão aparentes para os especialistas na técnica. Tais mudanças e modificações podem ser feitas sem sair do espírito e escopo da invenção e sem diminuir suas vantagens concomitantes. É, portanto, entendido que tais mudanças e modificações podem ser incluídas dentro do escopo da invenção.[0079] It should be noted that various changes and modifications to the present preferred embodiments described herein will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention and without diminishing its attendant advantages. It is, therefore, understood that such changes and modifications may be included within the scope of the invention.

FermentaçãoFermentation

[0080] Processos para a produção de etanol e outros álcoois a partir de substratos gasosos (tais como os descritos na seção de fundamentos acima) são conhecidos. Processos exemplares incluem aqueles descritos, por exemplo, em WO 2007/117157 e WO 2008/115080, assim como as Patentes US 6.340.581, 6.136.577, 5.593.886, 5.807.722 e 5.821.111, cada um dos quais é incorporado aqui por referência.[0080] Processes for the production of ethanol and other alcohols from gaseous substrates (such as those described in the fundamentals section above) are known. Exemplary processes include those described, for example, in WO 2007/117157 and WO 2008/115080, as well as US Patents 6,340,581, 6,136,577, 5,593,886, 5,807,722 and 5,821,111, each of which is incorporated herein by reference.

[0081] Um número de bactérias anaeróbicas é conhecido por serem capazes de conduzir a fermentação de CO para álcoois, incluindo n-butanol e etanol, ácido acético e são adequado para uso nos processos da presente invenção. Exemplos de tais bactérias que são adequadas para o uso na invenção incluem aquelas do gênero Clostridium, tais como cepas de Clostridium ljungdahlii, incluindo aquelas descritas em WO 00/68407, EP 117309, Patentes US 5.173.429, 5.593.886 e 6.368.819, WO 98/00558 e WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091) e Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161: pp 345-351). Outras bactérias adequadas incluem aquelas do gênero Moorella, incluindo Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al., Biotechnology Letters 29: pp 16071612), e aquelas do gênero Carboxydothermus (Svetlichny, V.A., et al. (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). As divulgações de cada uma destas publicações são incorporadas aqui por referência. Em adição, outras bactérias anaeróbicas carboxidotróficas podem ser utilizadas nos processos da invenção por uma pessoa com conhecimento na técnica. Também será apreciado na consideração da presente divulgação que uma cultura misturada de duas ou mais bactérias pode ser utilizada nos processos da presente invenção.[0081] A number of anaerobic bacteria are known to be capable of conducting fermentation from CO to alcohols, including n-butanol and ethanol, acetic acid and are suitable for use in the processes of the present invention. Examples of such bacteria which are suitable for use in the invention include those of the genus Clostridium, such as strains of Clostridium ljungdahlii, including those described in WO 00/68407, EP 117309, US Patents 5,173,429, 5,593,886 and 6,368,819 , WO 98/00558 and WO 02/08438, Clostridium carboxydivorans (Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091) and Clostridium autoethanogenum (Abrini et al., Archives of Microbiology 161: pp 345- 351). Other suitable bacteria include those of the genus Moorella, including Moorella sp HUC22-1 (Sakai et al., Biotechnology Letters 29: pp 16071612), and those of the genus Carboxydothermus (Svetlichny, VA, et al. (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260). The disclosures of each of these publications are incorporated herein by reference. In addition, other anaerobic carboxydotrophic bacteria can be used in the processes of the invention by a person skilled in the art. It will also be appreciated in considering the present disclosure that a mixed culture of two or more bacteria can be used in the processes of the present invention.

[0082] O cultivo da bactéria utilizada em um método da invenção pode ser conduzido utilizando qualquer número de processos conhecidos na técnica para o cultivo e fermentação de substratos utilizando bactérias cpcgt„dkecUo Vfiepkecu gzgornctgu u«q fomgekfcu pc ug>«q “Gzgornou” abaixo. A título de outro exemplo, estes processos geralmente descritos nos artigos a seguir utilizando substratos gasosos para fermentação podem ser utilizados: (i) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (vi) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vii) J. L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; todos os quais são incorporados aqui por referência.[0082] Cultivation of the bacteria used in a method of the invention may be conducted using any number of processes known in the art for the cultivation and fermentation of substrates using bacteria cpcgt„dkecUo Vfiepkecu gzgornctgu u«q fomgekfcu pc ug>«q "Gzgornou" bellow. By way of another example, these processes generally described in the articles below using gaseous substrates for fermentation can be used: (i) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K.T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70, 605-614; (iii) K.T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J.L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34.6.785-793; (vi) J.L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34.6,774-784; (vii) J.L. Vega, et al. (nineteen ninety). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3.149-160; all of which are incorporated herein by reference.

[0083] Em uma modalidade, o micro-organismo é selecionado do grupo que consiste em Clostridia carboxidotrófica compreendendo Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium magnum. Em outra modalidade, o micro-organismo é de um grupo de Clostridia carboxidotrófica compreendendo as espécies C. autoethanogenum, C. ljungdahlii e C. ragsdalei e isolados relacionados. Estes incluem, entre outros, cepas C. autoethanogenum JAI-1T (DSM10061) (Abrini, Naveau, & Nyns, 1994), C. autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO/2009/064200), C. autoethanogenum LBS1561(DSM23693), C. ljungdahlii PETCT (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, & Yang, 1993), C. Ijungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (Patente US 5.593.886), C. Ijungdahlii C-01 (ATCC 55988) (Patente US 6.368.819), C. Ijungdahlii O-52 (ATCC 55989) (Patente US 6.368.819), C. ragsdalei P11T (ATCC BAA-844+ *YQ 422:124:277+. kuqncfqu tgncekqpcfqu Vcku eqoq “ C. coskatii” *WU4233244;;69+ g “Enqsttkfkwo up.” (Tyurin & Kiriukhin, 2012), ou cepas mutadas tais como C. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo O. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010). Estas cepas formam um subcluster dentro do cluster I de rRNA Clostridial, e seus genes 16S rRNA são mais que 99% idênticos com um conteúdo GC baixo similar de cerca de 30%. Entretanto, os experimentos de reassociação DNA-DNA e impressão de DNA mostraram que estas cepas pertencem a espécies distintas (WO 2008/028055).[0083] In one embodiment, the micro-organism is selected from the group consisting of Clostridia carboxidotrophic comprising Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes, Clostridium acetictridium, acetictridium magnum In another embodiment, the microorganism is from a carboxydotrophic Clostridia group comprising the species C. autoethanogenum, C. ljungdahlii and C. ragsdalei and related isolates. These include, among others, C. autoethanogenum JAI-1T (DSM10061) strains (Abrini, Naveau, & Nyns, 1994), C. autoethanogenum LBS1560 (DSM19630) (WO/2009/064200), C. autoethanogenum LBS1561(DSM23693), C. Ijungdahlii PETCT (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, & Yang, 1993), C. Ijungdahlii ERI-2 (ATCC 55380) (US Patent 5,593,886), C. Ijungdahlii C-01 (ATCC 55988) ( US Patent 6,368,819), C. Ijungdahlii O-52 (ATCC 55989) (US Patent 6,368,819), C. ragsdalei P11T (ATCC BAA-844+ *YQ 422:124:277+. kuqncfqu tgncekqpcfqu Vcku eqoq "C . coskatii” *WU4233244;;69+ g “Enqsttkfkwo up.” (Tyurin & Kiriukhin, 2012), or mutated strains such as C. ljungdahlii OTA-1 (Tirado-Acevedo O. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010) These strains form a subcluster within Clostridial rRNA cluster I, and their 16S rRNA genes are more than 99% identical with a similar low GC content of about 30%. experiment DNA-DNA reassociation and DNA printing showed that these strains belong to distinct species (WO 2008/028055).

[0084] Todas as espécies dos grupos referenciados acima têm uma morfologia similar e tamanho (o crescimento logarítmico das células é entre 0,5-0,7 x 3-7 μo+. u«q oesofílicas (temperatura ótima de crescimento entre 30-37°C) e estritamente anaeróbicas (Abrini et al., 1994; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). Além disso, todas elas compartilham os mesmos traços filogenéticos principais, tais como a mesma faixa de pH (pH 4-7,5, com um pH inicial ótimo de 5,5-6), forte crescimento autotrófico em gases contendo CO com taxas de crescimento similares e um perfil metabólico similar com etanol e ácido acético como o principal produto final da fermentação, e pequenas quantidades de 2,3- butanodiol e ácido lático formadas sob certas condições (Abrini et al., 1994; Kopke et al., 2011; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055). A produção de indol foi observada com todas as três espécies também. Entretanto as espécies diferenciam na utilização do substrato de vários açúcares (por exemplo, ramnose, arabinose), ácidos (por exemplo, gluconato, citrato), aminoácidos (por exemplo, arginina, histidina), ou outros substratos (por exemplo, betaína, butanol). Além disso, algumas das espécies foram descobertas por serem autotróficas para certas vitaminas (por exemplo, tiamina, biotina) enquanto outras não foram. A organização e número de genes de via Wood-Ljungdahl, responsáveis pelo consumo de gás, foi descoberta por serem os mesmos em todas as espécies, apesar das diferenças sequências nucleicas e de aminoácidos (Kopke et al., 2011). Também a redução de ácidos carboxílicos em seus álcoois correspondentes foi mostrada em uma faixa destes organismos (Perez, Richter, Loftus, & Angenent, 2012). Estes traços são, portanto, não são específicos de um organismo como C. autoethanogenum ou C. ljungdahlii, mas sim traços gerais para Clostridia carboxidotrófica, sintetizadora de etanol e pode ser antecipado que o mecanismo de trabalho é similar nestas cepas, apesar de que podem haver diferenças no desempenho (Perez et al., 2012).[0084] All species from the groups referenced above have a similar morphology and size (log cell growth is between 0.5-0.7 x 3-7 μo+. u«q oesophilic (optimal growth temperature between 30-37°C) °C) and strictly anaerobic (Abrini et al., 1994; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055) Furthermore, they all share the same major phylogenetic traits, such as the same pH range (pH 4 -7.5, with an optimal initial pH of 5.5-6), strong autotrophic growth in CO-containing gases with similar growth rates and a similar metabolic profile with ethanol and acetic acid as the main fermentation end-product, and small amounts of 2,3-butanediol and lactic acid formed under certain conditions (Abrini et al., 1994; Kopke et al., 2011; Tanner et al., 1993) (WO 2008/028055) Indole production was observed with all three species as well. However the species differ in substrate utilization of various sugars (eg, rhamnose, a rabinose), acids (eg gluconate, citrate), amino acids (eg arginine, histidine), or other substrates (eg betaine, butanol). Also, some of the species were found to be autotrophic for certain vitamins (eg, thiamine, biotin) while others were not. The organization and number of genes in the Wood-Ljungdahl pathway responsible for gas consumption was found to be the same in all species, despite differences in nucleic and amino acid sequences (Kopke et al., 2011). Also the reduction of carboxylic acids to their corresponding alcohols has been shown in a range of these organisms (Perez, Richter, Loftus, & Angenent, 2012). These traits are therefore not specific to an organism such as C. autoethanogenum or C. ljungdahlii, but rather general traits for Clostridia carboxidotrophic, an ethanol synthesizer and it can be anticipated that the working mechanism is similar in these strains, although they may there are differences in performance (Perez et al., 2012).

[0085] Um micro-organismo exemplar adequado para uso na presente invenção é Clostridium autoethanogenum. Em uma modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação da cepa depositadas no German Resource Centre for Biological Material (DSMZ) sob o número de depósito de identificação 19630. Em outra modalidade, o Clostridium autoethanogenum é um Clostridium autoethanogenum tendo as características de identificação do DSMZ de número de depósito DSM 10061.[0085] An exemplary microorganism suitable for use in the present invention is Clostridium autoethanogenum. In one embodiment, Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum having the strain identification characteristics deposited at the German Resource Center for Biological Material (DSMZ) under deposit identification number 19630. In another embodiment, Clostridium autoethanogenum is a Clostridium autoethanogenum having the DSMZ identification characteristics of warehouse number DSM 10061.

[0086] A fermentação pode ser conduzida em qualquer biorreator adequado. Em algumas modalidades da invenção, o biorreator pode compreender um primeiro reator de crescimento em que os micro-organismos são cultivados, e um ou mais reatores de fermentação subsequentes configurados em paralelo ou em série, ao qual o caldo de fermentação do reator de crescimento é alimentado e em que a maioria do produto de fermentação (por exemplo, etanol e acetato) é produzida.[0086] The fermentation can be conducted in any suitable bioreactor. In some embodiments of the invention, the bioreactor may comprise a first growth reactor in which microorganisms are cultured, and one or more subsequent fermentation reactors configured in parallel or in series, to which the fermentation broth from the growth reactor is fed and where the majority of the fermentation product (eg ethanol and acetate) is produced.

[0087] De acordo com várias modalidades da invenção, a fonte de carbono para a reação de fermentação é um substrato gasoso contendo CO. O substrato gasoso pode ser um gás residual contendo CO obtido como um subproduto de um processo industrial, ou de alguma outra fonte como de gases de escapamento de automóveis. Em certas modalidades, o processo industrial é selecionado do grupo que consiste em manufatura de produtos de metal ferroso, tal como é conduzido em um moinho de aço, manufatura de produtos não ferrosos, processos de refinamento de petróleo, gasificação de carvão, produção de energia elétrica, produção de carbono preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Nestas modalidades, o gás contendo CO pode ser capturado de um processo industrial antes que seja emitido na atmosfera, utilizando qualquer método conveniente. Alternativamente, o substrato gasoso é uma fonte de gás reformado, incluindo gás natural, gás de xisto, gás de petróleo associado e biogás. Dependendo da composição gasosa do substrato contendo CO, pode ser também desejável tratá-lo para remover qualquer impureza indesejada, tais como partículas de pó, antes de introduzi-lo na fermentação. Por exemplo, o substrato gasoso pode ser filtrado ou friccionado utilizando métodos conhecidos.[0087] According to various embodiments of the invention, the carbon source for the fermentation reaction is a gaseous substrate containing CO. The gaseous substrate can be a CO-containing waste gas obtained as a by-product of an industrial process, or from some other source such as automobile exhaust. In certain embodiments, the industrial process is selected from the group consisting of manufacturing of ferrous metal products such as is conducted in a steel mill, manufacturing of non-ferrous products, petroleum refining processes, coal gasification, energy production electrical, black carbon production, ammonia production, methanol production and coca manufacturing. In these modalities, the gas containing CO can be captured from an industrial process before it is emitted into the atmosphere, using any convenient method. Alternatively, the gaseous substrate is a source of reformed gas, including natural gas, shale gas, associated petroleum gas and biogas. Depending on the gaseous composition of the CO-containing substrate, it may also be desirable to treat it to remove any unwanted impurities, such as dust particles, before introducing it to the fermentation. For example, the gaseous substrate can be filtered or rubbed using known methods.

[0088] O substrato contendo CO irá idealmente conter uma proporção significativa de CO, tal como pelo menos 5% a cerca de 100% de CO por volume, ou de 20% a 95% de CO por volume, ou de 40% a 95% de CO por volume, ou de 60% a 90% de CO por volume ou de 70% a 90% de CO por volume. Substratos gasosos tendo concentrações mais baixas de CO, tal como 6%, podem também ser apropriados, particularmente quando H2 e CO2 também estão presentes.[0088] The CO-containing substrate will ideally contain a significant proportion of CO, such as at least 5% to about 100% CO by volume, or 20% to 95% CO by volume, or 40% to 95% % CO by volume, or 60% to 90% CO by volume or 70% to 90% CO by volume. Gaseous substrates having lower concentrations of CO, such as 6%, may also be suitable, particularly when H2 and CO2 are also present.

[0089] Embora não seja necessário para o substrato gasoso conter qualquer hidrogênio, a presença de hidrogênio não será geralmente prejudicial para a formação do produto de acordo com os métodos da invenção. Entretanto, em certas modalidades da invenção, o substrato gasoso é substancialmente livre de hidrogênio (menos que 1%). O substrato gasoso pode também conter algum CO2, tal como cerca de 1% a cerca de 30% por volume, ou tal como cerca de 5% a cerca de 10% CO2.[0089] Although it is not necessary for the gaseous substrate to contain any hydrogen, the presence of hydrogen will generally not be detrimental to product formation according to the methods of the invention. However, in certain embodiments of the invention, the gaseous substrate is substantially free of hydrogen (less than 1%). The gaseous substrate may also contain some CO2 such as about 1% to about 30% by volume, or such as about 5% to about 10% CO2.

[0090] Como observado anteriormente, a presença de hidrogênio na corrente de substrato pode levar a uma melhora na eficiência geral da captura de carbono e/ou produtividade de etanol. Por exemplo, WO0208438 descreve a produção de etanol utilizando correntes de gás de várias composições.[0090] As noted earlier, the presence of hydrogen in the substrate stream can lead to an improvement in overall carbon capture efficiency and/or ethanol productivity. For example, WO0208438 describes the production of ethanol using gas streams of various compositions.

[0091] Assim, pode ser necessário alterar a composição da corrente de substrato de modo a melhorar a produção de álcool e/ou captura de carbono geral. Adicionalmente ou alternativamente, a composição pode ser alterada (isto é, níveis ajustados de CO, CO2 e/ou H2) para otimizar a eficiência da reação de fermentação e por fim melhorar a produção de álcool e/ou captura de carbono geral.[0091] Thus, it may be necessary to change the composition of the substrate stream in order to improve alcohol production and/or general carbon capture. Additionally or alternatively, the composition can be altered (ie adjusted levels of CO, CO2 and/or H2) to optimize the efficiency of the fermentation reaction and ultimately improve alcohol production and/or overall carbon capture.

[0092] Em algumas modalidades, o substrato gasoso contendo CO pode ser de fonte de gasificação de matéria orgânica tais como metano, etano, propano, carvão, gás natural, óleo bruto, valores residuais baixos de óleo de refinaria (incluindo coca de petróleo ou petcoca), resíduo sólido municipal ou biomassa. Biomassa inclui subprodutos obtidos durante a extração de processamento de gêneros alimentícios, tais como açúcar de cana de açúcar, ou amido de milho ou grãos, ou resíduo de biomassa não alimentícia gerada pela indústria florestal. Qualquer um destes materiais carbonáceos pode ser gaseificado, isto é, parcialmente queimado com oxigênio, para produzir gás sintético (singas compreendendo quantidades significativas de H2 e CO). Processos de gaseificação tipicamente produzem um gás sintético com uma proporção molar de H2 para CO de cerca de 0,4:1 a 1,2:1, junto com quantidades menores de CO2, H2S, metano e outras substâncias inertes. A proporção do gás produzido pode ser variada por meios conhecidos na técnica e são descritos em detalhes em WO200701616. Entretanto, a título de exemplo, as seguintes condições gasosas podem ser alteradas para ajustar a proporção do produto CO:H2: composição de matéria prima (particularmente proporção de C:H), pressão de operação, perfil de temperatura (influenciando a extinção da mistura de produtos) e oxidante empregado (ar, ar enriquecido com oxigênio, O2 puro ou vapor; em que o vapor tende a resultar em maiores proporções de CO:H2). Assim, as condições de operação do gaseificador podem ser ajustadas para fornecer uma corrente de substrato com uma composição desejada para a fermentação ou misturando com uma ou mais outras correntes para fornecer uma composição otimizada ou desejada para aumento de produtividade de álcool e/ou captura de carbono geral em um processo de fermentação.[0092] In some embodiments, the gaseous substrate containing CO may be from the gasification source of organic matter such as methane, ethane, propane, coal, natural gas, crude oil, low residual values of refinery oil (including petroleum coca or petcoca), municipal solid waste or biomass. Biomass includes by-products obtained during the extraction and processing of foodstuffs, such as sugar from sugar cane, or starch from corn or grains, or residue from non-food biomass generated by the forest industry. Any of these carbonaceous materials can be gasified, that is, partially combusted with oxygen, to produce synthetic gas (singers comprising significant amounts of H2 and CO). Gasification processes typically produce a synthetic gas with a molar ratio of H2 to CO of about 0.4:1 to 1.2:1, along with smaller amounts of CO2, H2S, methane and other inert substances. The proportion of gas produced can be varied by means known in the art and are described in detail in WO200701616. However, by way of example, the following gaseous conditions can be changed to adjust the CO:H2 product ratio: raw material composition (particularly C:H ratio), operating pressure, temperature profile (influencing the extinction of the mixture of products) and oxidant employed (air, oxygen-enriched air, pure O2 or steam; where steam tends to result in higher proportions of CO:H2). Thus, the gasifier operating conditions can be adjusted to provide a substrate stream with a desired composition for fermentation or mixing with one or more other streams to provide an optimized or desired composition for increasing alcohol productivity and/or capturing alcohol. general carbon in a fermentation process.

[0093] Em outras modalidades, o substrato compreendendo CO pode ser derivado de reforma de vapor de hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos, tais como hidrocarbonetos de gás natural podem ser reformados em alta temperatura para gerar CO e H2 de acordo com o seguinte:

Figure img0003
[0093] In other embodiments, the substrate comprising CO can be derived from hydrocarbon vapor reforming. Hydrocarbons such as natural gas hydrocarbons can be reformed at high temperature to generate CO and H2 as follows:
Figure img0003

[0094] A título de exemplo, a reforma de vapor de metano envolve reagir o vapor com metano para produzir CO e H2 em temperatura elevada (700-1100°C) na presença de um catalisador de níquel. A corrente resultante (compreendendo 1 mol de CO e 3 mols de H2 para cada mol de CH4 convertido) pode ser passada diretamente para o fermentador ou misturada com uma corrente de substrato de outra fonte para aumentar a produtividade de etanol e/ou captura de carbono geral em um processo de fermentação. Álcoois tais como metano podem também ser reformados para produzir CO2 e H2 que podem ser utilizados de modo similar.[0094] By way of example, methane steam reforming involves reacting the steam with methane to produce CO and H2 at elevated temperature (700-1100°C) in the presence of a nickel catalyst. The resulting stream (comprising 1 mole of CO and 3 moles of H2 for every mole of CH4 converted) can be passed directly to the fermentor or mixed with a substrate stream from another source to increase ethanol productivity and/or carbon capture general in a fermentation process. Alcohols such as methane can also be reformed to produce CO2 and H2 that can be used in a similar way.

[0095] Em outra modalidade, o substrato compreendendo CO é derivado de processo de manufatura de aço. Em um processo de produção de aço, o minério de ferro é triturado e pulverizado, submetido a pré-tratamentos tais como sinterização ou peletização, e então passado para um forno (BF), em que é fundido. Em um processo de fundição, a coca serve como a fonte de carbono, que trabalha como um agente de redução para reduzir o minério de ferro. A coca age como a fonte de aquecimento para aquecer e fundir os materiais. O metal quente é descarburizado em um forno de oxigênio básico (BOF) pela injeção de um jato a alta velocidade de oxigênio puro contra a superfície do metal quente. O oxigênio reage diretamente com o carbono no metal quente para produzir monóxido de carbono (CO). Portanto, uma corrente de gás com um alto conteúdo de CO é liberada do BOF. De acordo com certas modalidades da invenção, esta corrente é utilizada para alimentar uma ou mais reações de fermentação. Entretanto, como seria aparente para um especialista na técnica, o CO pode ser produzido em outro lugar dentro do processo de produção de aço, e de acordo com várias modalidades da invenção, tais fontes alternativas podem ser utilizadas ao invés de ou em combinação com gases de exaustão pelo BOF. Dependendo da fonte (isto é, o estágio particular dentro do processo de produção de aço), o conteúdo de CO dos gases de exaustão deste modo pode variar. Também, pode haver períodos quando há quebra em uma ou mais de tais correntes, particularmente em plantas de processamento em lote.[0095] In another embodiment, the substrate comprising CO is derived from steel manufacturing process. In a steelmaking process, iron ore is crushed and pulverized, subjected to pre-treatments such as sintering or pelletizing, and then passed to a furnace (BF) where it is melted. In a smelting process, coca serves as the carbon source, which works as a reducing agent to reduce iron ore. Coca acts as the heating source to heat and melt the materials. The hot metal is decarburized in a basic oxygen furnace (BOF) by injecting a high-speed jet of pure oxygen against the surface of the hot metal. Oxygen reacts directly with carbon in the hot metal to produce carbon monoxide (CO). Therefore, a gas stream with a high CO content is released from the BOF. In accordance with certain embodiments of the invention, this stream is used to fuel one or more fermentation reactions. However, as would be apparent to one skilled in the art, CO can be produced elsewhere within the steelmaking process, and according to various embodiments of the invention, such alternative sources can be used instead of or in combination with gases of exhaustion by BOF. Depending on the source (ie the particular stage within the steelmaking process), the CO content of the exhaust gases in this way can vary. Also, there may be periods when there is a break in one or more of these chains, particularly in batch processing plants.

[0096] Tipicamente, correntes liberadas por processo de descarburização de moinho de aço compreendem alta concentração de CO e baixas concentrações de H2. Enquanto tais correntes podem ser diretamente passadas para o biorreator com pouco ou nenhum outro tratamento, pode ser desejável otimizar a composição da corrente do substrato de modo a alcançar maior eficiência de produção de álcool e/ou captura de carbono geral. Por exemplo, a concentração de H2 na corrente do substrato pode ser aumentada antes de a corrente ser passada pelo biorreator.[0096] Typically, streams released by steel mill decarburization process comprise high concentration of CO and low concentrations of H2. While such streams can be directly passed to the bioreactor with little or no other treatment, it may be desirable to optimize the composition of the substrate stream in order to achieve greater alcohol production efficiency and/or overall carbon capture. For example, the concentration of H2 in the substrate stream can be increased before the current is passed through the bioreactor.

[0097] De acordo com modalidades particulares da invenção, as correntes de duas ou mais fonte podem ser combinadas e/ou misturadas para produzir uma corrente de substrato desejada e/ou otimizada. Por exemplo, uma corrente compreendendo uma alta concentração de CO, tal como a liberada por um conversor de moinho de aço, pode ser combinada com uma corrente compreendendo altas concentrações de H2, tal como o off-gás de um forno de coca de moinho de aço.[0097] According to particular embodiments of the invention, streams from two or more sources can be combined and/or mixed to produce a desired and/or optimized substrate stream. For example, a stream comprising a high concentration of CO, such as that released by a steel mill converter, can be combined with a stream comprising high concentrations of H2, such as the off-gas of a steel mill coca oven. steel.

[0098] Alternativamente ou adicionalmente, uma corrente intermitente compreendendo CO, tal como uma corrente liberada de um conversor, pode ser combinada com e/ou misturada com uma corrente contínua substancialmente compreendendo CO e opcionalmente H2, tal como o singas produzido em um processo de gaseificação como descrito anteriormente. Em certas modalidades, isto iria manter a provisão de uma corrente de substrato contínua substancialmente para o biorreator. Em uma modalidade particular, a corrente produzida por um gaseificador pode ser aumentada e/ou diminuída de acordo com a produção intermitente de CO de uma fonte industrial de modo a manter uma corrente de substrato contínua substancialmente com uma composição desejável ou otimizada. Em outra modalidade, as condições de gaseificação podem ser alteradas como descrito anteriormente de modo a aumentar ou diminuir a proporção de CO:H2, de acordo com a produção intermitente de CO de uma fonte industrial, de modo a manter uma corrente de substrato substancialmente contínua com uma composição desejável ou otimizada de CO e H2.[0098] Alternatively or additionally, an intermittent stream comprising CO, such as a stream released from a converter, may be combined with and/or mixed with a direct current substantially comprising CO and optionally H2, such as the singas produced in a process of gasification as described above. In certain embodiments, this would maintain the provision of a substantially continuous substrate stream to the bioreactor. In a particular embodiment, the current produced by a gasifier can be increased and/or decreased in accordance with the intermittent production of CO from an industrial source so as to maintain a continuous substrate current of substantially a desirable or optimized composition. In another embodiment, the gassing conditions can be changed as described above in order to increase or decrease the CO:H2 ratio, in accordance with the intermittent production of CO from an industrial source, so as to maintain a substantially continuous substrate current. with a desirable or optimized composition of CO and H2.

[0099] Tipicamente, a corrente de substrato utilizada na invenção será gasosa; entretanto, a invenção não é limitada a isso. Por exemplo, o monóxido de carbono pode ser fornecido para um biorreator em um líquido. Por exemplo, o líquido pode ser saturado com um gás contendo monóxido de carbono e então o líquido adicionado ao biorreator. Isto pode ser alcançado utilizando uma metodologia padrão. A título de exemplo, um gerador de dispersão de microbolha (Hensirisak et al., Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3, October, 2002) poderia ser utilizado para este propósito.[0099] Typically, the substrate stream used in the invention will be gaseous; however, the invention is not limited to this. For example, carbon monoxide can be supplied to a bioreactor in a liquid. For example, the liquid can be saturated with a gas containing carbon monoxide and then the liquid added to the bioreactor. This can be achieved using a standard methodology. As an example, a microbubble dispersion generator (Hensirisak et al., Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3, October, 2002) could be used for this purpose.

[00100] Será apreciado que para o crescimento das bactérias e a fermentação de CO para etanol ocorrer, em adição ao substrato gasoso contendo CO, um meio nutriente líquido adequado necessário será alimentado ao biorreator. Um meio nutriente irá conter vitaminas e minerais suficientes para permitir o crescimento do micro-organismo utilizado. Meios anaeróbicos adequados para a fermentação de etanol utilizando CO como a única fonte de carbono são conhecidos na técnica. Por exemplo, meios adequados são descritos nas Patentes US 5.173.429 e 5.593.886 e WO 02/08438, YQ42291337379 e YQ422:13372:2. reherifos cekoCo Qu “Gzeornos” cswk fornecem outros meios exemplares.[00100] It will be appreciated that for the growth of bacteria and the fermentation of CO to ethanol to occur, in addition to the gaseous substrate containing CO, a necessary liquid nutrient medium will be fed to the bioreactor. A nutrient medium will contain enough vitamins and minerals to allow the micro-organism used to grow. Suitable anaerobic media for the fermentation of ethanol using CO as the sole carbon source are known in the art. For example, suitable media are described in US Patents 5,173,429 and 5,593,886 and WO 02/08438, YQ42291337379 and YQ422:13372:2. reherifos cekoCo Qu “Gzeornos” cswk provide other exemplary means.

[00101] A fermentação deve desejavelmente ser conduzida sob condições apropriadas para a fermentação desejada ocorrer (por exemplo, CO para álcool). As condições de reação que devem ser consideradas incluem pressão, temperaturas taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de líquido, pH do meio, potencial redox do meio, taxa de agitação (se utilizando um reator de tanque de agitação contínua), nível de inóculo, concentrações de substrato gasoso máximas para garantir que o CO na fase líquida não se torne limitante, e concentrações de produto máximas para evitar a inibição do produto.[00101] The fermentation should desirably be conducted under conditions appropriate for the desired fermentation to take place (eg CO to alcohol). Reaction conditions that should be considered include pressure, temperatures, gas flow rate, liquid flow rate, medium pH, medium redox potential, agitation rate (if using a continuous stirred tank reactor), level of inoculum, maximum gaseous substrate concentrations to ensure that liquid phase CO does not become limiting, and maximum product concentrations to avoid product inhibition.

[00102] As condições de reação ótimas irão depender parcialmente do micro-organismo particular utilizado. Entretanto, em geral, pode ser preferencial que a fermentação seja realizada em uma pressão maior que a pressão ambiente. A operação em pressões aumentadas permite um aumento significativo na taxa de transferência de CO da fase gasosa para a fase líquida em que pode ser utilizado pelo micro-organismo como uma fonte de carbono para a produção de etanol. Isto por sua vez significa que o tempo de retenção (definido como o volume líquido no biorreator dividido pela taxa de fluxo de entrada de gás) pode ser reduzido quando biorreatores são mantidos em pressão elevada maior que a pressão atmosférica.[00102] The optimal reaction conditions will partly depend on the particular micro-organism used. However, in general, it may be preferable that the fermentation be carried out at a pressure greater than ambient pressure. Operating at increased pressures allows for a significant increase in the transfer rate of CO from the gas phase to the liquid phase where it can be used by the microorganism as a carbon source for ethanol production. This in turn means that retention time (defined as the net volume in the bioreactor divided by the inlet gas flow rate) can be reduced when bioreactors are kept at elevated pressure greater than atmospheric pressure.

[00103] Ainda, devido a uma dada taxa de conversão de CO para etanol ser em parte uma função do tempo de retenção do substrato, e alcançando um tempo de retenção desejado por sua vez dita o volume requerido de um biorreator, o uso de sistemas pressurizados pode reduzir muito o volume requerido de um biorreator, e consequentemente o custo capital do equipamento de fermentação. De acordo com os exemplos dados na Patente US no. 5.593.886, o volume do reator pode ser reduzido em uma proporção linear para aumentar a pressão de operação no reator, isto é, os biorreatores operados em 10 atmosferas de pressão necessitam apenas ser um décimo do volume daqueles operados em 1 atmosfera de pressão.[00103] Further, because a given conversion rate of CO to ethanol is in part a function of the substrate retention time, and achieving a desired retention time in turn dictates the required volume of a bioreactor, the use of systems Pressurized can greatly reduce the required volume of a bioreactor, and hence the capital cost of fermentation equipment. According to the examples given in US Patent no. 5,593,886, the reactor volume can be reduced in a linear proportion to increase the operating pressure in the reactor, ie bioreactors operated at 10 atmospheres of pressure need only be one-tenth the volume of those operated at 1 atmosphere of pressure.

[00104] Os benefícios de conduzir uma fermentação de gás para etanol em pressões elevadas foram também descritos em outros locais. Por exemplo, WO 02/08438 descreve fermentações de gás para etanol realizadas sub pressões de 30 psig e 75 psig, gerando produtividades de etanol de 150 g/l/dia e 369 g/l/dia respectivamente. Entretanto, exemplos de fermentações utilizando meio similar e composições de gás de entrada em pressão atmosférica foram descobertas por produzirem entre 10 e 20 vezes menos etanol por litro por dia.[00104] The benefits of conducting a gas fermentation for ethanol at elevated pressures have also been described elsewhere. For example, WO 02/08438 describes gas fermentations for ethanol carried out at pressures of 30 psig and 75 psig, generating ethanol productivities of 150 g/l/day and 369 g/l/day respectively. However, examples of fermentations using similar medium and atmospheric pressure inlet gas compositions have been found to produce between 10 and 20 times less ethanol per liter per day.

[00105] É também desejável que a taxa de introdução do substrato gasoso contendo CO é de modo para garantir que a concentração de CO na fase líquida não se torne limitante. Isto é porque uma consequência de condições limitadas de CO pode ser que o produto etanol seja consumido pela cultura.Recuperação do Produto[00105] It is also desirable that the rate of introduction of the gaseous substrate containing CO is such to ensure that the concentration of CO in the liquid phase does not become limiting. This is because a consequence of limited CO conditions may be that the ethanol product is consumed by the crop.Product Recovery

[00106] Os produtos da reação de fermentação podem ser recuperados utilizando métodos conhecidos. Métodos exemplares incluem os descritos em WO2007/117157, WO2008/115080 e Patentes US 6.340.581, 6.136.577, 5.593.886, 5.807.722 e 5.821.111. Entretanto, brevemente e a título de exemplo apenas, o etanol pode ser recuperado do caldo de fermentação por métodos como destilação fracionada ou evaporação, e fermentação extrativa.[00106] The products of the fermentation reaction can be recovered using known methods. Exemplary methods include those described in WO2007/117157, WO2008/115080 and US Patents 6,340,581, 6,136,577, 5,593,886, 5,807,722 and 5,821,111. However, briefly and by way of example only, ethanol can be recovered from the fermentation broth by methods such as fractional distillation or evaporation, and extractive fermentation.

[00107] Destilação do etanol a partir do caldo de fermentação rende uma mistura azeotrópica de etanol e água (isto é, 95% de etanol e 5% de água). Etanol anidro pode ser subsequentemente obtido através do uso de tecnologia de desidratação de etanol por peneira molecular, que é também conhecida na técnica.[00107] Distilling ethanol from the fermentation broth yields an azeotropic mixture of ethanol and water (ie 95% ethanol and 5% water). Anhydrous ethanol can subsequently be obtained through the use of molecular sieve ethanol dehydration technology, which is also known in the art.

[00108] Procedimentos de fermentação extrativa envolvem o uso de um solvente miscível em água que apresenta baixo risco de toxicidade para o organismo de fermentação, para recuperar o etanol do caldo de fermentação diluído. Por exemplo, álcool oleílico é um solvente que pode ser utilizado neste tipo de processo de extração. Neste processo, o álcool oleílico é continuamente introduzido em um fermentador, sobre o qual este solvente sobe formando uma camada no topo do fermentador que é continuamente extraído e alimentado através de uma centrífuga. Água e células são então rapidamente separadas do álcool oleílico e retornadas ao fermentador enquanto o solvente carregado de etanol é alimentado em uma unidade de vaporização rápida. A maioria do etanol é vaporizado e condensado enquanto óleo não volátil é recuperado para o reuso na fermentação.[00108] Extractive fermentation procedures involve the use of a water-miscible solvent that poses a low risk of toxicity to the fermentation organism, to recover the ethanol from the diluted fermentation broth. For example, oleyl alcohol is a solvent that can be used in this type of extraction process. In this process, oleyl alcohol is continuously introduced into a fermenter, over which this solvent rises forming a layer on top of the fermenter which is continuously extracted and fed through a centrifuge. Water and cells are then quickly separated from the oleyl alcohol and returned to the fermentor while the ethanol-laden solvent is fed into a flash vaporizer unit. Most of the ethanol is vaporized and condensed while non-volatile oil is recovered for reuse in fermentation.

[00109] Acetato pode também ser recuperado do caldo de fermentação utilizando métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, um sistema de absorção envolvendo um filtro de carvão ativado pode ser utilizado. Neste caso, as células microbianas são tipicamente primeiro removidas do caldo de fermentação utilizando um método de separação adequado. Numerosos métodos baseados em filtração de geração de caldo de fermentação livre de célula para recuperação de produto são conhecidos na técnica. O etanol livre de célula - e acetato - contendo o permeado é então passado através de uma coluna contendo carvão ativado para absorver o acetato. O acetato na forma ácida (ácido acético) ao invés da forma salina (acetato) é mais rapidamente absorvido pelo carvão ativado. É, portanto, preferencial que o pH do caldo de fermentação seja reduzido para menos que cerca de 3 antes que seja passado pela coluna de carvão ativado, para converter a maioria do acetato para a forma de ácido acético.[00109] Acetate can also be recovered from the fermentation broth using methods known in the art. For example, an absorption system involving an activated carbon filter can be used. In this case, microbial cells are typically first removed from the fermentation broth using a suitable separation method. Numerous cell-free fermentation broth generation filtration-based methods for product recovery are known in the art. The cell-free ethanol - and acetate - containing the permeate is then passed through a column containing activated carbon to absorb the acetate. Acetate in the acid form (acetic acid) rather than the salt form (acetate) is more readily absorbed by activated charcoal. It is, therefore, preferred that the pH of the fermentation broth be reduced to less than about 3 before it is passed through the activated carbon column, to convert most of the acetate to the acetic acid form.

[00110] Os produtos da reação de fermentação (por exemplo etanol e acetato) podem ser recuperados do caldo de fermentação por remover continuamente uma porção do caldo do biorreator de fermentação, separando células microbianas do caldo (convenientemente por filtração), e recuperando um ou mais produtos do caldo simultaneamente ou sequencialmente. O etanol pode convenientemente ser recuperado por destilação, e acetato pode ser recuperado por absorção em carvão ativado, utilizando os métodos descritos acima. O permeado livre de célula restante após o etanol e o acetato terem sido removidos pode também ser retornado para o biorreator de fermentação. Nutrientes adicionais (tais como vitaminas B) podem ser adicionados ao permeado livre de células para o reabastecimento do meio nutriente antes de serem retornados para o biorreator. Também, se o pH do caldo foi ajustado como descrito acima para melhorar a absorção de ácido acético pelo carvão ativado, o pH deve ser reajustado para um pH similar ao do caldo no biorreator de fermentação, antes de ser retornado para o biorreator.Off-Gás Industrial como uma Fonte para Fermentação[00110] Fermentation reaction products (eg ethanol and acetate) can be recovered from the fermentation broth by continuously removing a portion of the broth from the fermentation bioreactor, separating microbial cells from the broth (conveniently by filtration), and recovering one or more broth products simultaneously or sequentially. Ethanol can conveniently be recovered by distillation, and acetate can be recovered by absorption onto activated carbon, using the methods described above. Cell-free permeate remaining after ethanol and acetate have been removed can also be returned to the fermentation bioreactor. Additional nutrients (such as B vitamins) can be added to the cell-free permeate to replenish the nutrient medium before being returned to the bioreactor. Also, if the pH of the broth has been adjusted as described above to improve the absorption of acetic acid by activated carbon, the pH must be readjusted to a pH similar to that of the broth in the fermentation bioreactor, before being returned to the bioreactor.Off- Industrial Gas as a Source for Fermentation

[00111] De acordo com outros aspectos da invenção, gases de resíduo industrial são utilizados em uma reação de fermentação com nenhuma ou apenas mínima fricção ou etapas de pré-tratamento adicionais sendo utilizados para preparar os gases adequados do mesmo.[00111] According to other aspects of the invention, industrial waste gases are used in a fermentation reaction with no or only minimal friction or additional pretreatment steps being used to prepare the appropriate gases from the same.

[00112] Os gases residuais podem resultar de qualquer número de processos industriais. A invenção tem uma aplicabilidade particular para suportar a produção de etanol a partir de substrato gasoso tal como alto volume de gases de combustão industrial contendo CO. Exemplos de gases produzidos durante a manufatura de produtos de metal ferroso, manufatura de produtos não ferrosos, processos de refinaria, processos de refinamento de petróleo, gaseificação de carvão, gaseificação de biomassa, produção de energia elétrica, produção de carbono preto, produção de amônia, produção de metanol e manufatura de coca. Em certas modalidades, o substrato contendo CO é derivado da gaseificação da biomassa ou resíduo sólido municipal. Em uma modalidade particular da invenção, os gases residuais são gerados durante um processo para produção de aço. Por exemplo, os especialistas na técnica irão apreciar que gases residuais produzidos durante vários estágios do processo de produção do aço têm altas concentrações de CO e/ou CO2. Em particular, o gás residual produzido durante a descarburização do aço em vários métodos de manufatura de aço, tal como em um conversor de oxigênio (por exemplo, BOF ou KOBM), tem um alto conteúdo de CO e um baixo conteúdo de O2 tornando-o um substrato adequado para fermentação carboxidotrófica anaeróbica.[00112] Waste gases can result from any number of industrial processes. The invention has particular applicability to support the production of ethanol from gaseous substrate such as high volume industrial flue gases containing CO. Examples of gases produced during the manufacture of ferrous metal products, manufacture of non-ferrous products, refinery processes, oil refining processes, coal gasification, biomass gasification, electricity production, black carbon production, ammonia production , methanol production and coca manufacturing. In certain embodiments, the CO-containing substrate is derived from the gasification of biomass or municipal solid waste. In a particular embodiment of the invention, waste gases are generated during a process for producing steel. For example, those skilled in the art will appreciate that waste gases produced during various stages of the steelmaking process have high concentrations of CO and/or CO2. In particular, the tail gas produced during the decarburization of steel in various steel manufacturing methods, such as in an oxygen converter (eg BOF or KOBM), has a high CO content and a low O2 content making it o a suitable substrate for anaerobic carboxydotrophic fermentation.

[00113] Os gases residuais produzidos durante a carburização do aço são opcionalmente passados através de água para remover o material particulado antes de passar para uma pilha de resíduos ou combustão para direcionar o gás residual na atmosfera. Tipicamente, os gases são dirigidos em uma pilha de resíduo com um ou mais ventiladores.[00113] The waste gases produced during the carburization of steel are optionally passed through water to remove particulate material before passing to a waste pile or combustion to direct the waste gas into the atmosphere. Typically, gases are directed into a waste pile with one or more fans.

[00114] Em modalidades particulares da invenção, pelo menos uma porção do gás residual durante a descarburização do aço é desviado para um sistema de fermentação por qualquer meio de condução adequado. A título de exemplo, tubulação ou outros meios de transferência podem ser conectados para a pilha de gás residual de um moinho de aço para desviar pelo menos uma porção do gás residual para um sistema de fermentação. Novamente, um ou mais ventiladores podem ser utilizados para desviar pelo menos uma porção do gás residual em um sistema de fermentação. Em modalidades particulares da invenção, os meios de condução são adaptados para fornecer pelo menos uma porção do gás residual produzido durante a descarburização do aço para um sistema de fermentação. O controle e meios para alimentar gases para um biorreator serão rapidamente aparentes aos especialistas na técnica à qual a invenção é relacionada.[00114] In particular embodiments of the invention, at least a portion of the residual gas during the decarburization of steel is diverted to a fermentation system by any suitable conduction means. By way of example, piping or other transfer means can be connected to the waste gas stack of a steel mill to divert at least a portion of the waste gas to a fermentation system. Again, one or more fans can be used to divert at least a portion of the waste gas in a fermentation system. In particular embodiments of the invention, the driving means are adapted to supply at least a portion of the waste gas produced during the decarburization of steel to a fermentation system. The control and means for feeding gases into a bioreactor will be readily apparent to those skilled in the art to which the invention is concerned.

[00115] Enquanto moinhos de aço podem ser adaptados para substancialmente produzir continuamente aço e subsequentemente gás residual, aspectos particulares do processo podem ser intermitentes. Tipicamente, a descarburização do aço é um processo de banho durando longos minutos a longas horas. Deste modo, os meios de condução podem ser adaptados para desviar pelo menos uma porção do gás residual, tal como o gás produzido durante a descarburização do aço, para o sistema de determinação se é determinado que o gás residual tem uma composição desejável.[00115] While steel mills can be adapted to substantially continuously produce steel and subsequently tail gas, particular aspects of the process can be intermittent. Typically, steel decarburization is a bath process lasting from long minutes to long hours. In this way, the conduction means can be adapted to divert at least a portion of the tail gas, such as the gas produced during the decarburization of steel, to the system for determining whether it is determined that the tail gas has a desirable composition.

[00116] O conteúdo de pH do biorreator utilizado no processo de fermentação pode ser ajustado como requerido. O pH apropriado será dependente das condições requeridas para uma reação de fermentação particular tendo em consideração o meio nutriente e micro-organismos utilizados, como será apreciado por especialistas na técnica à qual a invenção refere-se. Em uma modalidade preferencial, na fermentação de um substrato gasoso contendo CO utilizando Clostridium autoethanogenum, o pH pode ser ajustado para aproximadamente 5,5 a 6,5, mais preferencialmente a aproximadamente 5,5. Outros exemplos incluem pH 5,5 a 6,5 utilizando Moorella thermoacetica para a produção de ácido acético, pH 4,5 a 6,5 utilizando Clostridium acetobutylicum para a produção de butanol, e pH 7 utilizando Carboxydothermus hygrogenaformans para a produção de hidrogênio. Os especialistas na técnica estarão cientes de meios adequados para manter o biorreator no pH requerido. Entretanto, a título de exemplo, bases aquosas tais como NaOH e ácidos aquosos tais como H2SO4 podem ser utilizados para aumentar e diminuir o pH do meio de fermentação e manter o pH desejado.[00116] The pH content of the bioreactor used in the fermentation process can be adjusted as required. The appropriate pH will be dependent on the conditions required for a particular fermentation reaction having regard to the nutrient medium and microorganisms used, as will be appreciated by those skilled in the art to which the invention pertains. In a preferred embodiment, in the fermentation of a CO-containing gaseous substrate using Clostridium autoethanogenum, the pH can be adjusted to approximately 5.5 to 6.5, more preferably to approximately 5.5. Other examples include pH 5.5 to 6.5 using Moorella thermoacetica for acetic acid production, pH 4.5 to 6.5 using Clostridium acetobutylicum for butanol production, and pH 7 using Carboxydothermus hygrogenaformans for hydrogen production. Those skilled in the art will be aware of suitable means to maintain the bioreactor at the required pH. However, by way of example, aqueous bases such as NaOH and aqueous acids such as H2SO4 can be used to raise and lower the pH of the fermentation medium and maintain the desired pH.

[00117] Um benefício adicional da invenção é que, devido a não ter ou apenas mínima fricção e/ou outros processos de tratamento realizados nos gases residuais antes de seu uso em uma reação de fermentação, os gases irão conter material adicional resultante do processo industrial, cujo material adicional pode ser utilizado, pelo menos em parte, como matéria prima para a reação de fermentação.

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[00117] An additional benefit of the invention is that, due to having no or only minimal friction and/or other treatment processes performed on the waste gases prior to their use in a fermentation reaction, the gases will contain additional material resulting from the industrial process , whose additional material can be used, at least in part, as raw material for the fermentation reaction.
Figure img0004

[00118] Bactéria: Clostridium autoethanogenum utilizada é a depositada no German Resource Centre for Biological Material (DSMZ) e atribuídos nos números de acessão DSMZ 19630.[00118] Bacteria: Clostridium autoethanogenum used is deposited at the German Resource Center for Biological Material (DSMZ) and assigned accession numbers DSMZ 19630.

[00119] Fermentação: O meio foi preparado de acordo com a composição descrita nas Tabelas 1-3 para um volume de 1,5 l e 1,5ml de resazurina foi adicionado. A solução foi aquecida e agitada enquanto desgaseificada com N2. Uma gota de ANa2S foi iniciada em uma taxa de 0,1ml/hr e a temperatura do biorreator ajustada para 37°C. O pH foi ajustado para 5,0 com NH4OH e cromo foi adicionado para ajustar o ORP para -200 mV. O biorreator foi então suprido com RMG (43 % de CO, 20 % de CO2, 2,5 % de H2 e 33 % de N2).Experimento 1: Efeito do ciclo secundário na taxa de fluxo de líquido, retenção de gás e conversão de CO[00119] Fermentation: The medium was prepared according to the composition described in Tables 1-3 to a volume of 1.5 l and 1.5 ml of resazurin was added. The solution was heated and stirred while degassing with N2. A drop of ANa2S was started at a rate of 0.1ml/hr and the bioreactor temperature adjusted to 37°C. The pH was adjusted to 5.0 with NH4OH and chromium was added to adjust the ORP to -200 mV. The bioreactor was then supplied with RMG (43% CO, 20% CO2, 2.5% H2 and 33% N2).Experiment 1: Effect of secondary cycle on liquid flow rate, gas retention and conversion of CO

[00120] O reator compreendia uma subida com diâmetro de 0,254 m e uma descida com um diâmetro de 0,138 m. O reator compreendia um ciclo secundário de 0,043m de diâmetro retirando o caldo pelo topo da descida e circulando o caldo utilizando uma bomba mecânica para o topo da subida, em que o caldo entrou no espaço superior do reator através de uma cabeça de chuveiro. A altura do reator era 6 m. O reator foi testado durante fermentação contínua do Clostridium autoethanogenum.[00120] The reactor comprised a rise with a diameter of 0.254 m and a descent with a diameter of 0.138 m. The reactor comprised a secondary cycle of 0.043m in diameter, withdrawing the juice at the top of the descent and circulating the juice using a mechanical pump to the top of the rise, in which the juice entered the upper space of the reactor through a shower head. The height of the reactor was 6 m. The reactor was tested during continuous fermentation of Clostridium autoethanogenum.

[00121] Durante o teste, a taxa de fluxo de líquido na descida, QL,0 foi 30 mVhr e a taxa de fluxo de líquido no segundo ciclo QL,2 foi 5,5 mVhr. Por volta do dia 20/02, o ciclo secundário foi desligado e uma diminuição imediata na retenção na descida de 11% para 5% foi observada, como mostrado na Figura 4. A velocidade da bomba de ciclo foi aumentada para 30% a 50% durante este período mas pode ser visto que isto não melhorou eficazmente a retenção na subida, devido aos dois efeitos competitivos da velocidade da bomba de ciclo na retenção da subida. No dia 20/8, o ciclo secundário foi reativado e a retenção da subida foi melhorada imediatamente, mesmo em uma velocidade de bomba de ciclo reduzida.[00121] During the test, the liquid flow rate on the descent, QL,0 was 30 mVhr and the liquid flow rate in the second cycle QL,2 was 5.5 mVhr. By 20/02, the secondary cycle was turned off and an immediate decrease in hold down from 11% to 5% was observed, as shown in Figure 4. Cycle pump speed was increased to 30% to 50% during this period but it can be seen that this did not effectively improve hill retention due to the two competing effects of cycle pump speed on hill retention. On 8/20, the secondary cycle was reactivated and climb retention was improved immediately, even at a reduced cycle pump speed.

[00122] O efeito do segundo ciclo na conversão de CO durante o mesmo período de teste é mostrado na Figura 5. Uma queda imediata na conversão de CO foi observada após o ciclo secundário ser desativado, devido à diminuição na retenção na subida e, portanto, uma diminuição na área de transferência de massa. Esta situação foi levemente aliviada por aumentar continuamente a bomba de ciclo, que aumentou a retenção na descida. Entretanto, esta abordagem foi muito menos eficaz que a reativação do ciclo secundário no Dia 20/8.[00122] The effect of the second cycle on CO conversion during the same test period is shown in Figure 5. An immediate drop in CO conversion was observed after the secondary cycle was turned off, due to the decrease in hold up and therefore , a decrease in mass transfer area. This situation was slightly alleviated by continuously increasing the cycle pump, which increased descent hold. However, this approach was much less effective than reactivating the secondary cycle on Day 20/8.

[00123] O efeito do ciclo secundário na retenção da subida em diferentes taxas de fluxo de entrada de gás também foi investigado em um reator menor, com um diâmetro à montante de 3 polegadas e uma altura de 1,1 m. O separador deste reator menor tinha um diâmetro de 6 polegadas e uma altura eficaz de 270 mm. O diâmetro da descida era 1,5 polegadas e o diâmetro do ciclo secundário era 0,5 polegada. Os resultados na Figura 6 mostram que com o ciclo secundário, a retenção na subida é significativamente aumentada, especialmente em menores taxas de fluxo de gás superficial. Parece haver um limite máximo da retenção da subida em torno de 15%, que é relacionado às mudanças do regime de fluxo em tal reator menor. Entretanto, um efeito de retenção positivo do ciclo secundário persiste.Experimento 2: Efeito do ciclo secundário na retenção do gás e conversão de CO em larga escala[00123] The effect of the secondary cycle on hold up rise at different gas inlet flow rates was also investigated in a smaller reactor, with an upstream diameter of 3 inches and a height of 1.1 m. The separator of this smaller reactor had a diameter of 6 inches and an effective height of 270 mm. The drop diameter was 1.5 inches and the secondary loop diameter was 0.5 inches. The results in Figure 6 show that with the secondary cycle, ascent retention is significantly increased, especially at lower surface gas flow rates. There appears to be an upper limit of lift retention around 15%, which is related to changes in the flow regime in such a smaller reactor. However, a positive retention effect of the secondary cycle persists.Experiment 2: Effect of the secondary cycle on large-scale gas retention and CO conversion

[00124] Experimentos hidrodinâmicos similares investigando o efeito do ciclo secundário foram realizados em reatores maiores de 10 metros de altura, com 1 metro de diâmetro na subida e 0,5 metro de diâmetro na descida. O diâmetro do ciclo secundário era 2 polegadas. Como mostrado nas figuras 7 e 8, os resultados foram similares. Pode ser visto na Figura 7 que ambas a retenção da subida e descida aumentaram linearmente com um aumento na velocidade de bomba de ciclo secundário, em que a transferência de massa deve melhorar de acordo. Figura 8 mostra o efeito do ciclo secundário na conversão de CO de outro teste em um reator do mesmo tamanho.[00124] Similar hydrodynamic experiments investigating the effect of the secondary cycle were carried out in reactors larger than 10 meters high, with 1 meter in diameter in the ascent and 0.5 meter in diameter in the descent. The secondary loop diameter was 2 inches. As shown in Figures 7 and 8, the results were similar. It can be seen from Figure 7 that both rise and fall hold increased linearly with an increase in secondary cycle pump speed, where mass transfer should improve accordingly. Figure 8 shows the effect of the secondary cycle on converting CO from another test into a reactor of the same size.

GeralGeneral

[00125] As modalidades da invenção são descritas a título de exemplo. Entretanto, deve-se apreciar que etapas particulares ou estágios necessários em uma modalidade podem não ser necessários em outros. Inversamente, as etapas ou estágios incluídos na descrição de uma modalidade particular podem ser opcionalmente vantajosamente utilizados nas modalidades em que não são especificamente mencionados.[00125] The embodiments of the invention are described by way of example. However, it should be appreciated that particular steps or stages needed in one sport may not be needed in others. Conversely, steps or stages included in the description of a particular embodiment may optionally be advantageously used in embodiments in which they are not specifically mentioned.

[00126] Enquanto a invenção é amplamente descrita com referência a qualquer tipo de corrente que pode ser movida através ou em torno dos sistemas por quaisquer meios de transferência conhecidos, em certas modalidades, o substrato e/ou correntes de exaustão são gasosos. Os especialistas na técnica irão apreciar que estágios particulares podem ser acoplados por meios de condutos adequados ou similares, configuráveis para receber ou passar correntes através de um sistema. Uma bomba ou compressor pode ser fornecido para facilitar a liberação das correntes para estágios particulares. Além disso, um compressor pode ser utilizado para aumentar a pressão do gás fornecidos para um ou mais estágios, por exemplo, o biorreator. Como discutido aqui acima, a pressão dos gases dentro de um biorreator pode afetar a eficiência da reação de fermentação realizada nele. Portanto, a pressão pode ser ajustada para melhorar a eficiência da fermentação. Pressões adequadas para reações comuns são conhecidas na técnica.[00126] While the invention is broadly described with reference to any type of current that can be moved through or around the systems by any known transfer means, in certain embodiments, the substrate and/or exhaust streams are gaseous. Those skilled in the art will appreciate that particular stages can be coupled by suitable conduit means or the like, configurable to receive or pass currents through a system. A pump or compressor can be provided to facilitate the release of currents for particular stages. In addition, a compressor can be used to increase the pressure of gas supplied to one or more stages, eg the bioreactor. As discussed here above, the pressure of gases inside a bioreactor can affect the efficiency of the fermentation reaction carried out in it. Therefore, the pressure can be adjusted to improve fermentation efficiency. Suitable pressures for common reactions are known in the art.

[00127] Em adição, os sistemas ou processos da invenção podem opcionalmente incluir meios para regular e/ou controlar outros parâmetros para melhorar a eficácia geral do processo. Um ou mais processos podem ser incorporados dentro do sistema para regular e/ou controlar parâmetros particulares do processo. Por exemplo, modalidades particulares podem incluir meios para monitorar a composição do substrato e/ou correntes de exaustão. Em adição, modalidades particulares podem incluir meios para controlar a liberação de uma corrente de substrato para estágios particulares ou elementos dentro de um sistema particular se os meios de determinação determinam que a corrente tem uma composição adequada para um estágio particular. Por exemplo, em instâncias em que a corrente de substrato gasoso contém baixos níveis de CO ou altos níveis de O2 que podem ser prejudiciais para uma reação de fermentação, a corrente de substrato pode ser desviada para longe do biorreator. Em modalidades particulares da invenção, o sistema inclui meios para monitorar e controlar a destinação de uma corrente de substrato e/ou a taxa de fluxo, de modo que uma corrente com uma composição desejada ou adequada pode ser liberada para um estágio particular.[00127] In addition, the systems or processes of the invention may optionally include means to regulate and/or control other parameters to improve the overall efficiency of the process. One or more processes can be incorporated into the system to regulate and/or control particular process parameters. For example, particular embodiments may include means to monitor substrate composition and/or exhaust currents. In addition, particular embodiments may include means for controlling the release of a substrate stream to particular stages or elements within a particular system if the means of determining determines that the stream has a suitable composition for a particular stage. For example, in instances where the substrate gas stream contains low levels of CO or high levels of O2 that can be detrimental to a fermentation reaction, the substrate stream can be diverted away from the bioreactor. In particular embodiments of the invention, the system includes means to monitor and control the destination of a substrate stream and/or the flow rate so that a stream of a desired or suitable composition can be delivered to a particular stage.

[00128] Em adição, pode ser necessário aquecer ou resfriar componentes do sistema particular ou corrente de substrato antes de ou durante um ou mais estágios no processo. Em tais instâncias, meios conhecidos de aquecimento ou resfriamento podem ser utilizados. Por exemplo, trocadores de calor podem ser empregados para aquecer ou resfriar as correntes de substrato.[00128] In addition, it may be necessary to heat or cool components of the particular system or substrate stream prior to or during one or more stages in the process. In such instances, known means of heating or cooling can be used. For example, heat exchangers can be used to heat or cool substrate streams.

[00129] Além disso, o sistema pode incluir uma ou mais etapas de pré/pós tratamento para melhorar a operação ou eficiência de um estágio particular. Por exemplo, a etapa pré-tratamento pode incluir meios para remoção de material particulado e/ou hidrocarbonetos de cadeia longa ou alcatrões de uma corrente de substrato gasoso. Outras operações pré/pós que podem ser conduzidas incluem separação dos produtos desejados de estágios particulares, tais como, por exemplo, o estágio de produção do biorreator (por exemplo, remoção de etanol por destilação).[00129] In addition, the system may include one or more pre/post treatment steps to improve the operation or efficiency of a particular stage. For example, the pre-treatment step may include means for removing particulate material and/or long chain hydrocarbons or tars from a gaseous substrate stream. Other pre/post operations that can be conducted include separating the desired products from particular stages, such as, for example, the bioreactor production stage (eg, removal of ethanol by distillation).

[00130] A invenção foi descrita aqui com referência a certas modalidades preferenciais, de modo a capacitar o leitor a praticar a invenção sem uma experimentação indevida. Os especialistas na técnica irão apreciar que a invenção pode ser praticada em um grande número de variações e modificações. Além disso, títulos, cabeçalhos, ou similares são fornecidos para adicionar ao leitor a compreensão deste documento, e não devem ser lidos como limitantes do escopo da presente invenção. A divulgação completa de todas as aplicações, patentes e publicações são citadas aqui e incorporadas por referência.[00130] The invention has been described herein with reference to certain preferred embodiments, so as to enable the reader to practice the invention without undue experimentation. Those skilled in the art will appreciate that the invention can be practiced in a large number of variations and modifications. In addition, titles, headings, or the like are provided to add to the reader's understanding of this document, and should not be read as limiting the scope of the present invention. The full disclosures of all applications, patents and publications are cited herein and incorporated by reference.

[00131] Mais particularmente, como será apreciado por um especialista na técnica, implementações de modalidades da invenção podem incluir um ou mais elementos adicionais. Apenas os elementos necessários para entender a invenção em seus vários aspectos podem ser mostrados em um exemplo particular ou na descrição. Entretanto, o escopo da invenção não é limitado às modalidades descritas e sistemas incluídos e/ou métodos incluindo uma ou mais etapas adicionais e/ou uma ou mais etapas substituídas, e/ou métodos omitindo uma ou mais etapas.[00131] More particularly, as will be appreciated by one skilled in the art, implementations of embodiments of the invention may include one or more additional elements. Only the elements necessary to understand the invention in its various aspects can be shown in a particular example or in the description. However, the scope of the invention is not limited to the described embodiments and included systems and/or methods including one or more additional steps and/or one or more substituted steps, and/or methods omitting one or more steps.

[00132] A referência a qualquer técnica anterior nesta especificação não é, e não deve ser tomada como, um reconhecimento ou qualquer forma de sugestão que a técnica anterior faz parte do conhecimento comum no campo de empreendimento em qualquer país.[00132] Reference to any prior art in this specification is not, and should not be taken as, an acknowledgment or any form of suggestion that the prior art is common knowledge in the field of enterprise in any country.

[00133] Através desta especificação e qualquer reivindicação que segue, ao menos que o contexto requeira de outro modo, as palavras “eqortggpfg”. “eqortggpfgpfq” g ukoüctgu, fgxgo ugt kpVgtrtgVcfcu go wo sentido inclusivo como oposto a um sentido exclusivo, que quer dizer, no ugpuq fg “kpenwkpfq, gpVtg qwVtqu”[00133] Throughout this specification and any claim that follows, unless the context otherwise requires, the words "eqortggpfg". “eqortggpfgpfq” g ukoüctgu, fgxgo ugt kpVgtrtgVcfcu go wo inclusive sense as opposed to an exclusive sense, that is, in ugpuq fg “kpenwkpfq, gpVtg qwVtqu”

Claims (16)

1. Sistema de reator para a fermentação de um substrato gasoso, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende:(a) um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que um caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, as referidas seções de subida (2) e descida (8) conectadas por seções horizontais e configuradas de modo que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso sejam circulados, utilizando meios de bombeamento, em um ciclo primário de um ponto próximo ao fundo da seção de descida (8), através da subida (2) para um ponto de entrada no topo da seção de descida (8);(b) um ciclo secundário compreendendo um local de saída em um ponto próximo ao fundo da seção de subida (2), meios de tubulação conectando a saída do fundo da subida (2) para uma entrada no topo da subida (2) e meios de bombeamento localizados entre o ponto de saída e o ponto de entrada de modo que o caldo de fermentação (3) e o substrato gasoso sejam circulados do fundo da descida (8) para o topo da seção de subida (2);(c) pelo menos uma entrada de gás configurada para direcionar o substrato gasoso dentro da seção de subida (2); e(d) pelo menos uma saída de gás, configurada para permitir que o gás saia da seção de subida (2).1. Reactor system for the fermentation of a gaseous substrate, the system characterized in that it comprises: (a) a fermentation vessel comprising a riser section (2) in which a liquid fermentation broth (3) and the substrate gaseous are fluid concurrently upwards and a descending section (8) wherein the liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are fluid concurrently downwards, said rising (2) and descending (8) sections connected by sections horizontal and configured so that the liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are circulated, using pumping means, in a primary cycle from a point near the bottom of the descending section (8), through the rise (2) to an entry point at the top of the rise section (8); (b) a secondary loop comprising an exit location at a point near the bottom of the rise section (2), piping means connecting the exit at the bottom of the rise (2) for an entry at the top of the climb (2) and pumping means located between the exit point and the entry point so that the fermentation broth (3) and the gaseous substrate are circulated from the bottom of the descent (8) to the top of the riser section (2);( c) at least one gas inlet configured to direct the gaseous substrate within the riser section (2); and (d) at least one gas outlet, configured to allow gas to exit the riser section (2). 2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de bombeamento de (a) estão localizados na seção horizontal conectando o fundo da seção de descida (8) à extremidade de fundo da seção de subida (2) e a saída da saída do ciclo secundário é localizada à jusante dos meios de bombeamento.2. System according to claim 1, characterized in that the pumping means of (a) are located in the horizontal section connecting the bottom of the lowering section (8) to the bottom end of the rising section (2) and the output of the output of the secondary loop is located downstream of the pumping means. 3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma válvula de porta localizada abaixo dos meios de bombeamento de (a), a válvula de porta operada sob condições para regular a pressão dentro do recipiente de fermentação e fornecer uma taxa de fluxo de ciclo secundário desejada.3. System according to claim 1, characterized in that it further comprises at least one gate valve located below the pumping means of (a), the gate valve operated under conditions to regulate the pressure within the fermentation vessel and provide a desired secondary cycle flow rate. 4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos um bocal ligado à entrada do ciclo secundário no topo da seção de subida (2).4. System according to claim 1, characterized in that it further comprises at least one nozzle connected to the input of the secondary cycle at the top of the ascent section (2). 5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário ainda compreende um ciclo de reciclo celular compreendendo um módulo de reciclo celular (19) compreendendo uma bomba de reciclo celular (16), a bomba de reciclo celular (16) agindo como meio de bombeamento de (b).5. System according to claim 1, characterized in that the secondary cycle further comprises a cell recycling cycle comprising a cell recycling module (19) comprising a cell recycling pump (16), the cell recycling pump ( 16) acting as the pumping medium of (b). 6. Método para melhorar a transferência de massa de um substrato gasoso para um caldo de fermentação (3) em um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que um caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação (3) e pelo menos um produto;(c) circular o caldo de fermentação (3) e o substrato gasoso através da seção de subida (2) e a seção de descida (8) do recipiente de fermentação; e(d) passar pelo menos uma porção do caldo de fermentação (3) do fundo da seção de descida (8) e circulá-lo para o topo da seção de subida (2) através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação (3) entra no topo da seção de subida (2) através de pelo menos um bocal.6. Method for improving mass transfer from a gaseous substrate to a fermentation broth (3) in a fermentation vessel comprising a riser section (2) in which a liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are fluid concurrently upwards and a descending section (8) in which the liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are fluid concurrently downwards, the method characterized in that it comprises: (a) providing a gaseous substrate to the vessel a fermentation broth comprising a liquid nutrient medium and one or more microorganisms; (b) ferment the gaseous substrate to produce a fermentation broth (3) and at least one product; (c) circulate the fermentation broth (3) and the gaseous substrate through the rise section (2) and the fall section (8) of the fermentation vessel; and (d) passing at least a portion of the fermentation broth (3) from the bottom of the descending section (8) and circulating it to the top of the ascending section (2) through a secondary cycle, in which the broth from fermentation (3) enters the top of the climb section (2) through at least one nozzle. 7. Método para reduzir a espuma no espaço superior (6) de um recipiente de fermentação compreendendo uma seção de subida (2) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para cima e uma seção de descida (8) em que o caldo de fermentação líquido (3) e o substrato gasoso são fluidos concorrentemente para baixo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:(a) fornecer um substrato gasoso para o recipiente de fermentação compreendendo um meio nutriente líquido e um ou mais micro-organismos;(b) fermentar o substrato gasoso para produzir um caldo de fermentação (3) e espuma presente no espaço superior (6) do recipiente de fermentação de pelo menos um produto;(c) remover o caldo de fermentação (3) da seção de descida (8) do recipiente de fermentação; e(d) circular o caldo de fermentação (3) para o topo da seção de subida (2) através de um ciclo secundário, em que o caldo de fermentação (3) entra no espaço superior (6) através de pelo menos um bocal;em que o caldo de fermentação (3) entrando no espaço superior (6) reduz a espuma presente dentro do recipiente de fermentação.7. Method for reducing foam in the head space (6) of a fermentation vessel comprising a riser section (2) in which the liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are concurrently flowing upwards and a lowering section (8) wherein the liquid fermentation broth (3) and the gaseous substrate are concurrently flowed down, the method characterized in that it comprises: (a) providing a gaseous substrate to the fermentation vessel comprising a liquid nutrient medium and one or more microorganisms; (b) fermenting the gaseous substrate to produce a fermentation broth (3) and foam present in the head space (6) of the fermentation vessel of at least one product; (c) removing the fermentation broth (3) the descent section (8) of the fermentation vessel; and (d) circulating the fermentation broth (3) to the top of the riser section (2) through a secondary cycle, wherein the fermentation broth (3) enters the head space (6) through at least one nozzle ;wherein the fermentation broth (3) entering the head space (6) reduces the foam present inside the fermentation vessel. 8. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o substrato gasoso é selecionado do grupo que consiste em CO, CO2, H2 e misturas dos mesmos.8. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the gaseous substrate is selected from the group consisting of CO, CO2, H2 and mixtures thereof. 9. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o substrato gasoso é fornecido para o fundo da seção de subida (2) do recipiente de fermentação.9. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the gaseous substrate is supplied to the bottom of the riser section (2) of the fermentation vessel. 10. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o recipiente de fermentação compreende pelo menos um meio de bombeamento para circular o caldo de fermentação (3) através da seção de subida (2) e da seção de descida (8) do recipiente de fermentação.10. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the fermentation vessel comprises at least one pumping means to circulate the fermentation broth (3) through the rising section (2) and the falling section (8) from the fermentation vessel. 11. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário compreende pelo menos um meio de bombeamento secundário.11. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the secondary cycle comprises at least one secondary pumping means. 12. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que o ciclo secundário ainda compreende ummódulo de reciclo celular (19).12. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the secondary cycle further comprises a cell recycling module (19). 13. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizado pelo fato de que pelo menos um bocal compreende uma cabeça de chuveiro (10).13. Method according to claim 6 or 7, characterized in that at least one nozzle comprises a shower head (10). 14. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que um ou mais micro-organismos são selecionados do grupo que consiste em Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium e Butyribacterium.14. Method according to claim 6 or 7, characterized in that one or more microorganisms are selected from the group consisting of Clostridium, Moorella, Oxobacter, Peptostreptococcus, Acetobacterium, Eubacterium and Butyribacterium. 15. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que um ou mais micro-organismos são selecionado do grupo que consiste em Clostridium autoethanogenum e Clostridium ljungdahlii.15. Method according to claim 6 or 7, characterized in that one or more microorganisms are selected from the group consisting of Clostridium autoethanogenum and Clostridium ljungdahlii. 16. Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um produto é selecionado do grupo que consiste em etanol, ácido acético e 2,3-butanodiol.16. Method according to claim 6 or 7, characterized in that at least one product is selected from the group consisting of ethanol, acetic acid and 2,3-butanediol.
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